[摘要(yao)] 渦輪流量計 性能(néng)會随着被測流體(ti)粘度的增大而變(biàn)差，爲了降低介🈲質(zhi)💚粘度🔴對渦輪性能(néng)的影響，采用計算(suan)流體力學CFD)仿真的(de)方法，通過适當地(di)增大頂端間隙，實(shi)現了對液體渦輪(lún)流量計 參數的定(dìng)量優化，并從葉輪(lún)尾部流場、葉片表(biao)面壓力場及葉輪(lún)🙇‍♀️受力情況等方面(mian)分析了不同的葉(ye)輪頂端問隙對葉(ye)輪性能産生影響(xiang)的機理。
　　液體渦輪(lun)流量計具有測量(liang)精度高、量程寬、壓(yā)損小、輸出脈沖信(xìn)号、重複性和動态(tài)響應好等多種優(yōu)點。在用于低粘度(dù)液體流量測量時(shi)，在相當寬的流量(liang)範圍内🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，其測量精(jīng)度可達0.5%~0.15%，重複性可(kě)達📞0.1%~0.05%。缺點在于儀表(biao)系數受被測流體(ti)粘度變化的影響(xiang)較大。一般來說，粘(zhān)度變化對線性.特(te)性🐪的影響随着流(liu)量計口徑🔞的減小(xiǎo)而增💋大。目前，國.内(nei)渦輪流量計出廠(chang)時，一般都是用水(shuǐ)或粘度比較低的(de)柴油進行檢定，但(dàn)很多使用者卻用(yong)其來測量液壓油(yóu)、潤滑油等中粘度(du)甚💰至高粘度液體(tǐ)的流量。這就迫切(qiē)要求提高渦♋輪流(liu)✔️量計在測量粘性(xing)介質時的精度。
　　通(tōng)過改變葉輪葉片(pian)頂端間隙來實現(xian)渦輪的優化在.以(yi)往的文獻口.四中(zhong)已有出現，但如何(hé)進行定量的優化(huà)及改變頂端間隙(xi)會對渦輪的性能(néng)造成多大的影✨響(xiang)等，卻仍需作進一(yī)步的研究。
　　通過對(duì)不同葉輪頂隙的(de)渦輪流量計進行(háng)計算流體力學CFD)仿(pang)真四，當流體粘度(dù)爲9.1cSt時，渦輪的線性(xìng)度誤差由0.987%減小至(zhì)0.014%;當流體💋粘度🌈爲31.6eSt時(shi)，渦輪的線性度誤(wù)差由5.568%減小至3.693%。
1渦輪(lun)流量計CFD仿真方法(fa)
1.1三維仿真模型建(jian)立
　　以DN10渦輪流量傳(chuan)感器爲例進行研(yan)究，按照實驗所用(yong)🥵渦輪👉流量傳感器(qì)的幾何結構參數(shu)建立仿真模型，如(ru)圖👨‍❤️‍👨1所示。在渦輪前(qian)後分别增加10D的直(zhí)管段以模拟實流(liú)實驗中的流動狀(zhuàng)态。

1.2網格劃分
　　對模型(xíng)的網格劃分是仿(pang)真的關鍵。網格質(zhi)量直接♉影響仿真(zhen)的🌈求解過程和結(jie)果，若所劃網格質(zhì)量太差，在後續的(de)仿真過程中會産(chan)生很多問題，減小(xiao)收斂速度，影響求(qiú)🚶解結果的準确性(xing)。在既⁉️保證網格質(zhì)量又控制👈網格數(shù)量的條件下，對網(wang)格進行如下的♉劃(hua)分。
　　葉輪處結構較(jiao)爲複雜，所以在網(wǎng)格劃分時采用四(sì)面體網格，其intervalsize爲0.12。在(zài)葉輪兩側定義了(le)interface面，以聯接葉輪🛀轉(zhuǎn)動區域和其它靜(jing)止區城。網格質量(liang)指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小于0.82.
1.3參(can)數設定
　　選取SSTk-w湍流(liú)模型，對流體特性(xìng)及邊界條件等都(dōu)嚴格按照實⛱️流🧡實(shi)驗進行設置，并采(cǎi)用多參考坐标系(xì)的方法解決轉動(dong)的流😍體區域流場(chang)變化問題。通過監(jiān)測葉輪及輪毂的(de)力矩✊，并根據驅動(dong)力矩與阻力.矩🔆的(de)差值對葉輪轉速(sù)💜大小進行🈲調節，當(dang)力矩系數Cm值💁達到(dào)10-9時，認爲葉輪所受(shou)力矩達到平衡，則(zé)此時的葉♉輪轉速(su)即爲合适的轉速(su)。.
2葉輪頂端間隙影(ying)響的仿真
2.1頂端間(jian)隙影響的理論依(yī)據
　　當流體在管道(dao)内部流動時，渦輪(lun)流量計同時受到(dao)👨‍❤️‍👨驅動力🔆矩✉️及阻力(lì)矩的作用。其中阻(zǔ)力矩主要包括🔞粘(zhan)性摩擦阻力矩、機(ji)械摩擦阻力矩和(he)磁阻力矩等。而在(zài)測量粘性流體時(shí)機械摩擦阻力矩(ju)和磁阻力矩可以(yǐ)忽略不計。葉🌈片邊(biān)緣與殼體内壁🌈之(zhi)間充滿♈了流體，因(yin)此🧡這一形式的摩(mo)擦阻力實🔞際上是(shì)由流體與固體壁(bì)面之間由于存在(zai)着相對運動而🍉引(yǐn)起的粘性摩擦阻(zu)力。但是由于其間(jian)隙相當小，因此流(liu)體在這一狹小間(jiān)隙中的流動始終(zhōng)認爲🐅是處在層流(liu)流動狀态，從而可(kě)直接應用納維埃(ai)一斯托克斯🧑🏽‍🤝‍🧑🏻方程(cheng)對流場求解✏️。

　　式中(zhong):T1爲葉片頂端與傳(chuán)感器外殼内壁之(zhī)間的粘性⭕摩擦阻(zǔ)力矩，n·m;r,爲葉片頂端(duān)處半徑，m;r。爲流量計(jì)殼體内壁半徑，m;C爲(wèi)葉片👈寬，m;ρ爲流體密(mi)度，kg/m';v爲流體運動粘(zhan)度，m2/s;0爲葉輪旋轉角(jiǎo)速❌度，rad/s。由(1)式可以看(kàn)❤️出，通過減小r,即葉(yè)片🤞頂端處半徑可(kě)以減小粘性摩💜擦(cā)阻力矩。
　　雖然葉片(piàn)頂端間隙的增大(dà)可以減小T1的數值(zhi)，增加葉輪轉速，降(jiang)🔴低渦輪對流體粘(zhan)性的敏感程度，但(dàn)是⛷️由于⚽随着⛱️頂隙(xì)的增大，漏流也增(zeng)大，這會給測量的(de)精度帶來影響，因(yīn)此要兼顧兩者以(yi)達到平衡。
2.2仿真數(shù)據
通常采用葉片(piàn)頂端間隙與管道(dao)半徑之比δ對頂端(duān)間隙進行無量綱(gāng)化

　　選擇了運動粘(zhān)度分别爲9.1cSt、31.6eSt的柴油(yóu)-機油混合液，對不(bú)同頂端間隙的渦(wō)輪流量計進行仿(pang)真，仿真結果如表(biao)1所⭕示。從表中數據(ju)可以看出，渦輪流(liu)量計在測量時，一(yi)般在小流量點處(chù)的儀表系數會小(xiao)于大流量點處的(de)儀🌏表系數，這是造(zào)成線性度誤差的(de)原因。對于相同粘(zhan)度☁️的流體，在相同(tong)流速時，随✂️着頂端(duān)間隙♈的增大,渦輪(lún)流量計的旋轉角(jiǎo)速度增大，相應的(de)儀表系數也增大(da)。而渦輪流量計在(zai)測⚽量粘性流體時(shi)主🎯要受影響的是(shì)在小流量點，頂端(duan)間隙增大後，渦輪(lún)在小流量點處的(de)儀表系數相對于(yú)大流量🏒點得⭐到了(le)更大的提高,故減(jiǎn)小了線性度誤差(chà)。即對于同🌐一介質(zhì)粘度，渦輪流量計(ji)的♻️儀表系數受流(liu)量變化的影響在(zai)減小。

3頂端間隙影(yǐng)響的機理分析
　　通(tong)過分析渦輪流量(liàng)傳感器内部的速(sù)度場和壓力場變(biàn)♊化💁以🔅及葉片受力(lì)情況等，可以理解(jiě)在測量粘性流體(ti)時頂端間隙變化(huà)🐅對流量傳感器特(tè)性産生影響的流(liu)體力學機理。
3.1速度(du)場分析
　　圖2爲渦輪(lún)葉片尾部流體速(su)度矢量圖，灰色部(bù)分爲㊙️葉片。可以👣看(kàn)出在葉片的尾部(bu)，流體出現了流動(dong)分離。靠近葉輪的(de)🎯流體，其速度可以(yǐ)認爲與葉輪的轉(zhuǎn)速相同，葉輪的轉(zhuǎn)速越慢，其尾🔴部的(de)低流速區越大。

　　比(bǐ)較圖3(a)和圖3(b)、圖4(a)和圖(tú)4(b)，可以看出當流體(tǐ)粘度一定時，流🤩量(liang)越大，葉輪的尾部(bu)低流速區越小。當(dang)頂端間隙由0.2mm增加(jiā):至0.5mm時，對于相☂️同粘(zhan)度的流體和相同(tong)的流量點，葉輪尾(wěi)部低流速區變小(xiǎo)，表明葉輪旋轉角(jiǎo)速度增大，即儀🌏表(biao)系數變大。但在小(xiǎo)流量點處🔱，低流速(sù)區☂️的相對變化較(jiao)之于大流量點處(chu)要大，即小流量點(diǎn)💰處葉輪轉速的🎯相(xiang)對變化比大🔞流量(liàng)點處要大✍️，則儀表(biǎo)系數的增加值相(xiang)對也🔱大，故渦輪的(de)線性度誤差減小(xiao)。

3.2壓力場分析
　　比較(jiao)圖5(a)和圖5(b)、圖6中的圖(tu)6(a)和圖6(b)，可以看出，對(duì)于相同粘🐆度的流(liu)體，随着流量的增(zeng)大，高壓區的面積(jī)變大，且向葉片的(de)尾部和頂端移動(dòng)，緻使葉片所受驅(qu)動力矩增加，葉輪(lun)旋轉角速度增大(da)。對于相同粘度的(de)流體在相同🈲的流(liú)量點處，頂端間隙(xì)由0.2mm增大至0.5mm時，比較(jiào)圖5和圖6可以看出(chu)，葉片表面的高壓(yā)區面積變大，且⛹🏻‍♀️向(xiàng)葉片的尾部和頂(dǐng)端移動，緻使葉輪(lun)所受驅🌍動力矩增(zeng)加，而由圖7和👉圖8可(kě)以看出葉片尾部(bù)的低壓區面🏃‍♂️積變(biàn)小，葉輪旋轉❓的阻(zu)力減小，則旋轉的(de)角速度增大，即儀(yí)表系數增大。

　　由3)式(shi)可以看出，當其它(tā)條件一定時，對于(yú).确定的葉輪轉速(sù)，葉輪受到的粘性(xìng)阻力矩也是一定(ding)的。那麽，反過💞來亦(yì)🌈可以通過粘性🛀阻(zǔ)力矩來判斷葉輪(lún)轉速的大小📐。
利用(yong)Fluent中的Report可以得到渦(wō)輪流量計所受的(de)壓力力矩和粘性(xìng)阻力矩，如表2所示(shi)。

　　比較表(biao)格中的數據可以(yǐ)得出，對于具有相(xiàng)同粘度⁉️的流體和(hé)相同的流量點，當(dang)渦輪的頂端間隙(xì)增大時，葉輪所🙇‍♀️受(shou)到的粘性阻🏒力矩(ju)變小，這直接導緻(zhi)了渦輪的🧡轉速增(zēng)大即儀🐕表系數增(zeng)大。在🤟小流量點，粘(zhān)性阻力矩相對減(jian)小了16.64%，在大流量點(dian)，粘性阻力矩相對(duì)減小了13.79%，這樣渦輪(lun)轉速在小流量點(diǎn)處相對增加較爲(wèi)顯著，故渦輪的線(xiàn)性度誤差得到了(le)降低。
4結論
　　對具有(you)不同頂端間隙的(de)液體渦輪流量計(ji)進行CFD仿真分析，當(dāng)🚩流體粘度爲9.leSt時，渦(wo)輪的線性度誤差(chà)由.0.987%減小至0.014%;當流體(tǐ)粘度爲31.6cSt時，渦輪的(de)線性度誤差由5.568%減(jian)小至3.693%。通過分析渦(wo)輪的内部流場❤️及(ji)葉輪🈲受力情況，可(ke)以得出以下
結論(lun):
(1)适當增大葉輪的(de)頂端間隙，流體粘(zhān)度和流量一定時(shi)✊，葉輪🌈尾部低流速(su)區減小，葉輪旋轉(zhuan)角速度增大，即儀(yí)🆚表系數變🌏大。而小(xiǎo)流量點處的低流(liú)速區相對🎯變化較(jiào)👉之于大流量點❓處(chù)要大，即小流量點(dian)處葉輪轉速的相(xiàng)對變化比大流量(liang)點處要大，則儀表(biǎo)系數的增加值相(xiang)對也大，故渦輪的(de)線性度誤差減小(xiǎo)。
(2)對于相同粘度的(de)流體，在相同的流(liú)量點，渦輪的頂端(duān)間隙适當增加時(shi)，葉片尾部的低壓(ya)區面積變小，葉片(piàn)表面的高壓區向(xiàng)葉片的尾部和頂(dǐng)端移動且面積變(biàn)大，緻使葉輪所受(shou)驅動力矩增加，旋(xuán)轉的角速度增大(da)，儀表系數增大。
(3)對(duì)于相同粘度的流(liú)體和相同的流量(liang)點，葉輪所受到的(de)粘性阻力矩随着(zhe)葉輪頂端間隙增(zēng)大而變小，則葉輪(lún)的轉速增大♊，液體(ti)渦輪流量計系數(shù)增大。在小流量點(diǎn)，粘性💃🏻阻力矩☂️相對(dui)減小值較大流量(liang)點處更爲顯著，即(jí)儀表系數相對增(zeng)㊙️加值更大🈲，故渦輪(lún)的線性度誤差得(de)到了降低。

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