摘要(yao)：應用動量定理(li)研究 渦輪流量(liàng)計 的基本工作(zuo)機理及儀表系(xì)數模型。通過數(shù)值仿真和流🔅動(dong)實驗，分析切向(xiang)渦輪流量計葉(yè)片未轉動及轉(zhuan)動🈲時流🌈體在渦(wō)輪流量🆚計的分(fen)布情況，闡述切(qiē)向渦輪計葉片(pian)轉動機理🍉。基于(yu)小流量實驗裝(zhuāng)置，考察了渦輪(lún)流量計在單相(xiang)水及單♻️相油條(tiao)件下的響應特(tè)性。渦輪流量計(jì)在純水與純油(yóu)介質中，啓動排(pái)量分别爲0.081m3/d與0.08m3/d，均(jun1)⛹🏻‍♀️遠🤩遠低于普通(tong)螺旋式渦輪流(liú)量計的0.5m3/d，證明渦(wo)輪流量計在低(di)流量測量中具(jù)有良好的應用(yòng)🌈前景。
0、引言：
　　渦輪(lun)流量計廣泛應(ying)用于小流量測(ce)量中。與軸向式(shi)渦輪流量🥰傳感(gan)器相比，切向渦(wō)輪流量傳感器(qì)的啓動排量更(gèng)低，測量靈敏度(dù)更高，動态響應(ying)速度更快✍️［1］。随着(zhe)國内大部分油(you)田進入開發中(zhōng)後期，低産井數(shù)量逐年增☂️多，大(dà)量油井的日産(chǎn)量低于5m3/d，單層産(chǎn)量甚至低于1m3/d。低(dī)産液井對測井(jǐng)🏃‍♂️儀器提出了🏃新(xīn)的要求，傳統螺(luó)旋式渦輪流量(liàng)計對低流量的(de)響應較差，啓動(dong)排量較高，難以(yi)對低産井的井(jǐng)下流動進行有(you)效監測。爲此，提(tí)出采用渦輪流(liú)量計測量小流(liú)量。
1、渦輪流量計(ji)工作原理：
? 渦輪(lun)流量計基本構(gòu)造見圖1。被測流(liú)體在流經葉輪(lun)之🏃前流道‼️會減(jiǎn)縮，流速增加，流(liu)體經過葉輪後(hou)葉片❤️旋轉，磁電(dian)傳感器記錄葉(ye)片轉動頻率，得(dé)到被測流體相(xiang)對應的流量。

　　渦輪(lún)在轉動時所受(shòu)的力矩大緻可(ke)分：流體對渦輪(lún)🔱的推🤩動力🈲矩🐆Ｔｒ，機(ji)械摩擦力矩Ｔｒｍ，流(liú)體對渦輪産生(shēng)的流動阻❗力矩(ju)💛Ｔｒｆ和電磁阻力矩(ju)Ｔｒｅ［２］。渦輪運動方程(cheng)可以表示爲
　　式(shì)中，Ｊ爲渦輪轉動(dòng)慣量；ω爲渦輪轉(zhuan)動角速度。渦輪(lun)正常工作時🈚，ω可(kě)近似看作定值(zhi)（切向渦輪轉動(dòng)時由于驅動力(li)矩随着位置變(biàn)化而變化，所以(yi)轉動角速度ω也(yě)是變化的，這裏(lǐ)将ω看作定值）。
　　如(ru)圖2所示，渦輪流(liu)量計流道收縮(suō)後面積爲Ａ，從流(liú)道流出🐅的流體(tǐ)速度爲ｖ1，從渦輪(lún)流出的流體速(sù)度爲ｖ2；ｖ1和ｖ2與渦㊙️輪(lun)葉片速度方向(xiàng)的夾角爲α1和α2，渦(wō)輪的轉動角速(su)度爲ω，假設出口(kǒu)處流體相對運(yun)動速度的方向(xiàng)平行于葉片方(fāng)向。

在渦輪轉動時(shi)，隻有垂直葉片(pian)方向的力對驅(qu)動力矩有貢獻(xian)，因此隻考慮垂(chuí)直葉片方向的(de)驅動力ｆ。

 式中，ｆＨｚ爲(wei)轉動頻率；Ｑ爲流(liu)量。
2、渦輪流量計(jì)流場分布特性(xìng)仿真分析：
　　Workbench是ANSYS公(gong)司開發的協同(tóng)仿真環境，大大(dà)簡化了仿真過(guo)程中各⛹🏻‍♀️模🍉塊間(jiān)的交互操作。通(tong)過幾何建模、網(wǎng)格劃分、計算求(qiu)解、後處理等過(guò)程，可以比較準(zhun)确地仿真複雜(za)機械模型🔴的各(gè)個🥵物理參🧑🏾‍🤝‍🧑🏼數的(de)場分布［3］。
　　根據實(shi)際情況采用了(le)二維計算，并将(jiang)計算域劃分爲(wèi)💔2個部分🏃‍♀️：葉輪轉(zhuǎn)動部分和入口(kǒu)出口部分（見圖(tu)3）。
　　在圖3中葉輪部(bù)分和入口出口(kou)部分均采用四(si)邊形💰網格，網格(gé)🍓數各約2萬，整個(gè)計算域網格數(shù)爲4萬。入口🌈出口(kou)🔱部分爲靜止網(wǎng)格采用參考系(xì)，葉輪部分爲動(dong)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼網格，繞圓心轉(zhuǎn)動，同時采用相(xiàng)對參考系，參考(kǎo)系轉動速度與(yu)網格轉速相同(tóng)。

　　渦輪流量計仿(pang)真模型見圖4。圖(tu)4中右側入口和(hé)左側🔴出🚶‍♀️口均寬(kuan)20ｍｍ，在計算中分别(bié)設置爲速度入(rù)口和速度出口(kou)，轉動👌部分直徑(jìng)（圖4中Ｄ1）爲18ｍｍ，葉片頂(dǐng)端半徑爲8.5ｍｍ，轉動(dong)腔上半部分直(zhí)徑（Ｄ3）爲20ｍｍ，轉動腔下(xià)半部分直徑（Ｄ2）爲(wei)19ｍｍ，轉動⛹🏻‍♀️腔入口出(chu)口寬度均爲4ｍｍ。

　　圖(tú)5、圖6中速度入口(kǒu)分别爲0.08m3/d及1m3/d。如圖(tú)5所示，當流速較(jiao)低時💰，流體在切(qie)向渦輪内可以(yǐ)近似看成繞角(jiao)流動，此時腔體(ti)内葉片壓強對(duì)稱分布，基本上(shàng)不産生壓差，無(wu)法驅動渦輪葉(ye)片轉✨動；随着流(liú)速增大，流體在(zai)流入靠近入口(kǒu)的腔體時，在腔(qiāng)體内産生旋渦(wō)，旋渦的運動導(dao)緻葉片壁面壓(yā)強分布不均勻(yun)，從而産生驅動(dòng)矩，如圖6所示。可(kě)以看出對驅動(dòng)力矩有貢獻的(de)是靠近入口的(de)腔體，其他腔體(ti)基本上不産生(sheng)壓差。

　　爲了驗證(zheng)仿真的準确性(xing)，通過室内實驗(yan)對其驗證。切向(xiang)渦輪采用可視(shi)化研究平台，整(zhěng)個渦輪的結構(gou)都采用亞克力(lì)🔞闆雕🌂刻組裝而(ér)成。如圖7所示，水(shui)箱主要提供穩(wěn)定水壓，水平切(qiē)向渦🐇輪做成開(kai)口系統并😄放置(zhi)在實💚驗支撐架(jià)上，前置閥🚩門可(kě)控制水流，在需(xū)要更換切向渦(wo)輪的零件時可(ke)關閉，控制閥門(men)主要是控制流(liú)經切向渦輪的(de)流量，流量測量(liang)仍采用傳統可(ke)靠的容積時間(jian)法。實驗時以染(rǎn)色劑作爲示蹤(zōng)劑，以觀察流場(chang)的分布情況。


　　如(ru)圖8所示，記錄的(de)是未啓動時切(qiē)向渦輪内的流(liú)場，水從圖8左🐇側(ce)流入渦輪，從右(you)側流出，實驗時(shi)水的流速很低(di)（0.05m3/d），腔體1中的流動(dong)可🈲近似看作不(bú)可壓縮無旋繞(rào)角流動，此時流(liú)體在腔體1中❌的(de)速度可看成對(dui)稱分布，由伯努(nu)利方程⭐算得的(de)壓強也是對稱(cheng)分布，此時2個壁(bì)面幾乎沒有壓(ya)強差，所以渦輪(lun)未啓動。
　　圖9記錄(lù)的是切向渦輪(lun)正常轉動時的(de)流場，圖9中水從(cong)左向右流動，實(shi)驗時水速較快(kuài)（1m3/d），渦輪葉片順時(shí)針轉動。水速變(bian)大❗後，擾動變大(da)，不再是無旋繞(rào)角流動，腔體1中(zhōng)流體形成一個(gè)運動的旋渦，導(dao)🎯緻腔内壓強分(fèn)布不再對稱，産(chǎn)生壓差，緻使渦(wo)輪葉片❌轉動，旋(xuan)渦在随葉片運(yun)動到腔體2中時(shi)逐漸耗散消失(shi)。數值仿📞真的計(jì)算結果☁️與物理(li)實驗的結果基(jī)本一緻。

3、切向渦(wō)輪在單相流體(tǐ)中響應特性：
　　爲(wei)了驗證切向渦(wō)輪在單相流體(ti)中的響應情況(kuàng)，在全集流⭐條件(jian)下對其在單相(xiàng)水及單相油介(jiè)質中響應規律(lǜ)進行了研究。對(duì)于單相水的渦(wō)輪響應情況🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，進(jìn)行了在0～6m3/d流速範(fàn)圍内的渦輪響(xiǎng)應實驗，測得單(dān)相水介質中渦(wo)輪的啓💛動排量(liang)爲🌂0.081m3/d，渦輪響應情(qing)況見圖10。經過拟(ni)合後的響應關(guan)系爲ω＝6.49Ｑ－1.446。

　　采用同樣(yàng)的方法，對單相(xiang)油條件下渦輪(lún)響應規律進🌈行(hang)研究🤩（見圖11），測得(de)單相油的啓動(dòng)排量爲0.08m3/d。對單相(xiang)油的實驗🍓結果(guo)進行⭐拟合♌，可得(de)單相油的響應(yīng)曲線爲ω＝6.73Ｑ－6.72。與水對(duì)比而言，油的拟(nǐ)合曲線斜率更(geng)大，即随着流量(liàng)增加轉速增加(jia)得略快。
　　爲了深(shēn)入分析渦輪流(liu)量計在單相低(di)流量條件下👉的(de)響應特點，将流(liu)量作爲橫坐标(biāo)，儀表Ｋ值即轉速(sù)／流量作爲縱坐(zuò)标，繪制單相💯水(shui)（見圖12）和單相油(yóu)（見圖13）的渦輪流(liu)量計特性曲線(xiàn)🏃‍♀️。

　　爲了深入分析(xī)切向渦輪流量(liàng)計在單相低流(liú)量條件下的響(xiǎng)應特點，将流量(liàng)作爲橫坐标，儀(yi)表K值即轉速／流(liú)量作爲縱👨‍❤️‍👨坐标(biao)，繪制單相水（見(jian)圖12）和單相油（見(jiàn)圖13）的切向渦輪(lun)流量計特性曲(qǔ)線。


　　可以看出，渦(wo)輪啓動後首先(xian)進入一個非線(xiàn)性段，在🙇🏻非線📐性(xing)相應段，Ｋ值随着(zhe)流量增加而增(zeng)大；當流量比較(jiào)大（單相水超過(guo)0.5m3/d，單相油超過1m3/d）時(shi)，渦輪進入線性(xing)段，在線性🚶響應(ying)段，Ｋ值達到峰值(zhi)，有🤟相對較小的(de)波動。
4、結論：
（1）數值(zhí)仿真結果與物(wù)理實驗結果基(jī)本一緻，當流速(sù)低于啓動排量(liang)，渦輪未啓動時(shi)，流體沿葉片做(zuo)繞角運動，葉片(piàn)兩側壓力相等(děng)，葉片不轉動；當(dang)流速高于啓動(dong)排量，渦輪轉動(dong)時，流體在✂️腔内(nei)産生旋渦，造成(cheng)葉片兩邊壓差(cha)，從而造成葉片(pian)轉動。
（2）渦輪流量(liàng)計在純水與純(chún)油介質中，啓動(dòng)排量分别⁉️爲0.081m3/d與(yǔ)0.08m3/d，均遠遠低于普(pǔ)通螺旋式渦輪(lún)流量計0.5m3/d的啓動(dòng)排量💰，在低流量(liàng)測量具有良好(hao)的前景。
（3）渦輪流(liu)量計在未達到(dào)穩定轉動前，Ｋ值(zhí)不斷增大，穩定(ding)㊙️轉動🚶後 K值趨于(yú)一條直線，具有(yǒu)良好的線性關(guan)系。

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