0引言(yán)
　　氣體渦輪流量(liang)計 是計量天然(ran)氣、液化氣、煤氣(qì)等介質的速度(dù)式儀表[1-2]。爲💯了改(gai)善氣體渦輪流(liu)量計的性能，爲(wèi)設計提供指🎯導(dǎo)和方向🌍，近年來(lai)一些學者利用(yòng)CFD技術對其内部(bu)流場進行了研(yan)究。LavanteEV等[3]利用FLUENT對氣(qi)體渦輪流量計(jì)内部流場進行(háng)數值模拟，并根(gēn)據仿真結果解(jiě)釋實驗過程中(zhong)的現象。對前導(dao)流器引起的流(liú)量計壓力損失(shī)進行數值計算(suàn)👅和實驗測量，從(cong)流🚶‍♀️動機理上解(jiě)釋了結構和壓(yā)損之間的🔆關系(xì)。LIZhifei等♍[6]利用數值模(mo)拟得到了導💋流(liú)器内部的速度(du)場和壓力場，并(bing)以減小壓力損(sun)失爲目标優化(huà)了導流器🙇🏻的結(jie)構。通過對氣體(tǐ)渦輪流量計進(jin)行CFD仿真，研究不(bu)同流量下的壓(yā)損值，并通過☂️實(shí)驗證明了數值(zhí)模拟的有效性(xìng)。對渦輪傳感器(qì)内♊部的速度場(chǎng)和壓力場進行(hang)了數值仿真，提(ti)出對前🌂後導流(liú)器❄️、葉輪葉片形(xing)狀和頁頂🥵間隙(xì)的改進。
　　上述研(yan)究中未涉及針(zhēn)對不同螺旋升(shēng)角渦輪内流場(chǎng)的數值模拟，以(yi)及渦輪葉片螺(luo)旋升角的改變(bian)對儀表性能影(yǐng)響☁️的研究。本文(wén)對安裝35°和45°葉片(piàn)螺旋升角渦輪(lún)的DN150型氣體渦輪(lun)流量計的内流(liu)場進行數值🐅模(mo)拟，通過💞模拟結(jié)果預測儀表的(de)始動流量和壓(ya)力損失，并利用(yong)預測的正确性(xìng)，爲渦輪葉片螺(luo)旋升角⚽的進一(yī)步提供數值方(fang)法。
1數學模型及(ji)邊界條件
　　利用(yong)FLUENT軟件對渦輪内(nèi)流場進行數值(zhí)模拟時，忽略天(tiān)然氣的密度變(bian)化，在0～1200m3/h内，介質流(liu)動速度遠遠小(xiǎo)于聲速（即馬赫(he)數遠小于0.3），認爲(wèi)🐆流體不可壓縮(suo)，且假設流👅動中(zhong)無熱量交換，不(bú)考慮能量守恒(heng)方♌程。
1.1微分控制(zhì)方程
　　氣體渦輪(lún)流量計内部流(liú)動爲湍流黏性(xìng)流動，滿足連續(xu)性方🛀🏻程和黏性(xing)流體運動方程(chéng)。
基本微分方程(cheng)[9]：
連續性方程：

1.2
　　湍(tuan)流模型選擇由(yóu)于雷諾應力項(xiang)的加入使時均(jun1)N-S方程不封🏒閉⛷️，爲(wèi)了求解引入k-ε兩(liang)方程湍流模型(xing)。兩方程湍流模(mo)型有标🧑🏽‍🤝‍🧑🏻準k-ε模型(xíng)，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可實現(xiàn)的k-ε模型。其中，RNGk-ε模(mó)型主要應用🐉于(yu)旋轉機械的流(liú)動問❗題，在大範(fàn)圍的湍流模拟(nǐ)中有較高的精(jīng)度。該模型能夠(gou)比較準确地模(mo)拟各種複雜流(liú)動，其中湍流黏(nian)度由下式确🈲定(ding)：

1.3網格劃分與定(ding)解條件
　　根據流(liú)量計的實際工(gong)況分别在介質(zhi)入口和出口處(chu)添加10倍管✉️徑的(de)直管段，并把整(zhěng)個模型剖分爲(wèi)3個區域：入口😍管(guan)道，旋轉區，出🈲口(kou)管道。旋轉區域(yu)又細分爲渦輪(lún)轉子和支架定(dìng)子兩個區域，定(dìng)🈲子和轉子之間(jian)的耦合采用多(duo)參🧑🏽‍🤝‍🧑🏻考MRF(MultipleReferenceFrame)模型。利用(yòng)GAMBIT前處理模塊對(duì)進、出口直管段(duàn)采用結構化網(wǎng)格，而對旋轉區(qū)采用非結構化(huà)網格進行劃分(fen)以滿足💁對葉輪(lun)内部複雜區域(yù)的網格描述，各(ge)塊網格通過塊(kuài)之間的交界面(miàn)拼接在一起。網(wǎng)格總數爲30多萬(wan)個四面體♌非結(jié)構化網🧡格和100多(duo)萬個六面體結(jié)構化網格，旋轉(zhuan)區網格如圖1所(suǒ)示。

　　定解條件包(bāo)括介質入口、出(chū)口和固壁邊界(jiè)的設置。入口處(chu)給定相應流量(liang)（1200m3/h）下的主流速度(dù)值；出口采用壓(ya)力出口邊界條(tiao)件🌂，出口壓力相(xiàng)對大氣壓爲0；進(jìn)、出口管道🈚内壁(bi)，支架均取無滑(hua)移固壁邊界條(tiáo)件。葉輪部分采(cǎi)用旋轉坐标系(xi)，給定相應流量(liàng)下的葉輪轉速(sù)，将葉片的吸力(li)面和壓力面以(yi)及輪🈲毂定義爲(wei)旋🧑🏽‍🤝‍🧑🏻轉壁面條件(jiàn)，在旋轉壁面條(tiáo)件的定義中，按(an)照MRF的要求，将旋(xuán)轉壁面的✍️旋轉(zhuǎn)速度定義爲相(xiàng)對速度，并且相(xiàng)對周圍流體速(su)度爲0。
2計算結果(guǒ)分析
2.1壓力場分(fèn)析
　　 流量計 全壓(ya)定義爲入口全(quan)壓與出口全壓(yā)之差，通過全壓(ya)🔅分析能🥰夠直⭕接(jie)反映儀表壓損(sun)的大小。全壓越(yuè)大表明流🆚體經(jīng)過流量計後産(chǎn)生的壓損越大(da)，壓損過大會導(dǎo)緻流量計不能(néng)正常使用。進口(kou)全壓一定時，出(chū)口全壓Pout越大，則(zé)流量計的全壓(ya)△P越小，壓力損失(shi)越小。如圖2（a）和圖(tu)3（a）所示，35°渦輪出口(kou)全壓要明顯小(xiao)于45°渦輪出口處(chu)的全壓，這說明(ming)相同的工況下(xia)45°渦輪所産生的(de)壓損較小。

　　渦輪葉(ye)片動壓的分布(bù)和大小直接影(ying)響渦輪驅動力(lì)🥵矩🍓的大小，35°葉片(piàn)所受動壓明顯(xiǎn)小于45°葉片所受(shou)動壓，說明在相(xiàng)同工況下45°螺旋(xuan)升角渦輪能獲(huo)得較大的驅動(dòng)力矩，如圖2（b）和圖(tu)🔞3（b）所示，與35°渦輪相(xiang)比，較小的流✏️量(liang)就可推👣動渦輪(lún)穩定旋轉，從而(ér)使儀表✂️進入線(xiàn)性工作區。由此(cǐ)可預測安裝45°螺(luó)旋角渦輪的儀(yí)表能獲💁得較小(xiao)的始動流量。
2.2速(sù)度場分析
　　當氣(qì)體介質以充分(fèn)發展的湍流經(jīng)過渦輪時，35°渦輪(lún)的速度矢量方(fang)向變化較大且(qiě)向壁面集中，使(shi)得與葉片直接(jie)作用産生推動(dòng)力矩的速度矢(shǐ)量減少，如圖（4a)所(suǒ)示，且在出口處(chu)速度衰減較大(dà)，間👉接說明介質(zhi)流經渦輪後壓(yā)損的增加，如圖(tu)4（b）所示。而45°渦輪内(nèi)部的速度矢量(liang)分布比較均勻(yún)，過流性較好，與(yu)葉片直接作用(yong)的速度矢量較(jiao)多，産生較🛀大的(de)驅動力矩，如圖(tú)（5a)所示，且在出口(kou)處速度衰減較(jiao)小，如圖（5b)所示。



3實驗(yan)對比
　　氣體渦輪(lún)流量計的檢定(dìng)采用負壓檢測(ce)方法，如圖6所示(shì)，由标準📧吸風裝(zhuāng)置産生負壓使(shǐ)标準羅茨流量(liàng)計和✂️被檢㊙️定的(de)🐇氣體渦輪🍉流量(liàng)計同時測量，安(ān)裝在被測儀表(biǎo)兩端😍取壓口處(chù)的U型管可以測(cè)量流量計📱進、出(chu)口處的壓力，從(cóng)😄而得到儀表的(de)壓力損失。
　　利用(yong)黃金分割法選(xuǎn)取0～1200m3/h範圍8個流量(liang)點，在每一個流(liu)🎯量點随機采集(jí)3組不同時刻的(de)數據，包括标準(zhǔn)羅茨流量計和(hé)被檢定流量計(ji)的累積流量及(jí)其輸出脈沖數(shu)，對每組數據進(jìn)行算術平均得(de)到♌流量點處的(de)平均儀表👈系數(shu)。通過采集U型管(guan)壓差裝置的指(zhi)示值❓記錄每個(gè)流量點處的壓(yā)力損失，檢定結(jie)果如表2所示。

　　利(lì)用多項式插值(zhí)對表2中的數據(ju)進行密化，得到(dào)20組㊙️插值數據😍，通(tōng)過3次B樣條拟合(hé)得到儀表系數(shu)曲線和📐壓力損(sǔn)失曲線。
始動流(liu)量以儀表系數(shù)進入線性區的(de)最小流量來确(què)定，在小流量區(qū)内安裝45°螺旋升(sheng)角渦輪的流量(liàng)計🈲在流量20m3/h左📧右(you)即🚶‍♀️進入線性工(gōng)作區；而安裝35°螺(luó)旋升角渦輪的(de)流量計則在流(liú)量150m3/h左右時才進(jìn)入線性工作區(qu)，而且在線性工(gong)作區内也存在(zai)着明顯的波動(dòng)，如圖7所示.

　　35°渦輪流量計在(zai)各工況點處的(de)壓損明顯大于(yu)45°渦輪流量計，最(zuì)🛀大壓損達到3500Pa以(yi)上，如圖8所示。上(shang)述分析表明安(an)🍉裝45°螺旋升🐇角渦(wo)輪的⭐流量計與(yu)安裝35°螺旋升角(jiao)渦輪的流量計(ji)相比具♋有較小(xiǎo)的始動流量，較(jiào)小的壓力損失(shi)，而且儀表計量(liàng)的線性度較好(hao)。

4結論(lun)
　　對螺旋升角爲(wei)35°和45°的氣體渦輪(lún)流量計旋轉部(bu)件内流場進行(háng)數值模拟，分析(xi)描述其内部流(liu)動的壓力場和(he)速度場，安裝45°螺(luó)旋升角渦輪的(de)流量計比安裝(zhuāng)35°螺旋升角渦輪(lún)的流量計具有(yǒu)較小的始動流(liú)量和🎯壓力損失(shi)。
利用黃金分割(ge)法選取儀表流(liú)量範圍内的檢(jiǎn)定點，通過儀表(biǎo)負壓檢定平台(tai)獲得了儀表系(xi)數曲線和壓力(li)損失曲線，與數(shu)值仿真中的預(yù)測相吻合，表明(míng)⭕數值模在流量(liàng)計性能🐇預測中(zhong)的有效性。
　　渦輪(lun)葉片的螺旋升(sheng)角是影響儀表(biǎo)性能的關鍵參(cān)數🈲，合理選擇✌️渦(wō)輪的葉片螺旋(xuan)升角，可進一步(bù)改善儀表的性(xing)能。

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