摘(zhāi)要：根據(ju)已有的(de)DN25旋進旋(xuán)渦流量(liang)計的結(jié)構參數(shu)，設計📞了(le)DN20小型旋(xuán)進旋渦(wō)流量計(ji) ，而後借(jiè)助ANSYSFluent流體(tǐ)仿真對(dui)DN20小型旋(xuán)進旋渦(wō)流量計(ji)進行🌈了(le)結構與(yǔ)㊙️流場關(guan)系的研(yan)究。通過(guo)正交試(shi)驗，獲得(de)了DN20小型(xíng)⛱️流量☀️計(jì)不同結(jié)構的内(nèi)部流場(chang)及其信(xin)息，分析(xī)了流量(liàng)計工作(zuo)範圍内(nèi)旋渦規(guī)律和流(liu)量之間(jiān)的關系(xi)；進一步(bù)更換不(bú)同🐅測量(liàng)橫截面(miàn)，查看壓(ya)🈲力場及(ji)其💛變化(huà)規律，與(yǔ)原結構(gou)方案♍的(de)測量截(jié)面進行(hang)比較，選(xuan)👨‍❤️‍👨定最優(you)測量截(jié)面與測(cè)量點，爲(wèi)DN20流量計(jì)産品研(yán)發提供(gong)了理論(lùn)♻️依據。
0引(yǐn)言
　　旋進(jìn)旋渦流(liú)量計是(shì)根據旋(xuán)渦進動(dong)現象設(she)計的一(yi)種流♊體(tǐ)㊙️振📐蕩式(shì)流量計(jì)，具有流(liu)量範圍(wéi)寬、無可(ke)動部件(jian)、不❗易腐(fu)蝕、可靠(kào)性高、安(ān)❗裝使用(yong)方便、直(zhi)管段要(yao)求短等(děng)優點，适(shi)用于石(shí)油、蒸汽(qi)、天然氣(qi)、水等多(duo)種介質(zhi)的流量(liang)測🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量[1]。20世(shi)紀70年代(dai)，對旋進(jin)旋渦流(liú)量計性(xìng)能進行(háng)了比較(jiao)全面的(de)實驗研(yán)究，驗證(zheng)了此⚽流(liu)量計線(xiàn)性💘輸出(chu)特性，同(tóng)時🌈發現(xiàn)此流量(liàng)計不易(yi)受介質(zhi)粘度和(hé)密度影(ying)響，指出(chū)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計在高(gao)壓氣體(tǐ)測量方(fang)面的商(shāng)業應用(yòng)前🐕景。對(duì)旋進旋(xuan)渦流🈲量(liàng)計做了(le)實際工(gong)況下☁️的(de)儀表特(te)征測試(shì)，探索該(gāi)流量計(jì)在✂️計量(liàng)👨‍❤️‍👨領域應(yīng)用的可(ke)行性。
　　對(duì)于旋進(jin)旋渦流(liú)量計内(nèi)部流動(dòng)特性及(ji)流量計(ji)改進方(fāng)面，科研(yán)人員也(ye)進行了(le)一定的(de)探索，彭(peng)傑剛等(deng)⛹🏻‍♀️人[4]對🌈旋(xuán)進旋渦(wo)流量計(jì)内部流(liú)場進行(hang)了數值(zhi)模拟分(fèn)析，研究(jiū)了旋渦(wō)流量計(ji)内部流(liú)場的演(yan)變情況(kuàng)，分析了(le)流場幹(gan)擾對旋(xuán)進旋渦(wo)流☁️量計(ji)流場🌍進(jìn)動效應(yīng)的影響(xiang)。何馨雨(yu)等人[5]對(duì)旋進旋(xuán)渦内部(bu)流場進(jin)行了🚩數(shu)值模拟(ni)分析，獲(huò)得了比(bi)較全面(mian)的流場(chǎng)信息，對(duì)這種流(liu)量計的(de)内部流(liu)動特性(xing)有了更(gèng)加深入(rù)的理解(jie)。

　　目前(qian)，針對旋(xuán)進旋渦(wo)流量計(jì)，特别是(shi)小型和(he)微型流(liú)🍉量🈚計還(hai)☂️存在流(liu)量計低(dī)流量工(gōng)況條件(jiàn)下測量(liàng)不準确(que)、過程不(bu)🐅穩定的(de)問題，開(kai)發小型(xíng)流量計(jì)，相較于(yú)普通流(liú)量計需(xu)要在結(jié)構上做(zuò)出改進(jìn)和優化(hua)。比如，可(kě)采用導(dao)流✌️片來(lái)降低壓(yā)損，提高(gao)流量計(jì)的性能(neng)。本文着(zhe)重考慮(lü)對小型(xíng)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計的起(qǐ)旋角、收(shōu)縮角和(he)收縮比(bǐ)進行優(you)化研究(jiū)，從而爲(wei)進一步(bu)開發和(he)定型小(xiǎo)型🐇流量(liàng)計提供(gong)理🌈論上(shang)的支持(chí)。
1旋進旋(xuán)渦流量(liang)計工作(zuo)原理[6]
　　旋(xuan)進旋渦(wō)流量計(jì) 主要由(yóu)起旋器(qì)、文丘裏(li)管、消旋(xuán)器和檢(jian)測傳感(gan)器組成(cheng)，其結構(gòu)原理如(ru)圖1所示(shì)。
　　旋進旋(xuan)渦流量(liàng)計是基(ji)于旋渦(wo)進動現(xiàn)象工作(zuo)的。流體(tǐ)流入旋(xuan)進旋渦(wō)流量計(jì)後，首先(xian)通過一(yi)組由固(gu)定💯螺旋(xuán)形葉片(pian)組成的(de)♻️起旋器(qi)後被強(qiang)制旋轉(zhuan)，使流體(ti)形成旋(xuán)❄️渦，旋渦(wo)中心爲(wèi)“渦核”是(shi)㊙️流體旋(xuán)轉運動(dong)速度很(hen)高的區(qū)域，其外(wai)圍是環(huan)流。流體(ti)流經收(shou)縮段時(shi)旋渦加(jiā)速，沿流(liú)✉️動方向(xiàng)渦核與(yǔ)流量計(jì)的軸線(xiàn)相一緻(zhi)👨‍❤️‍👨。當進入(rù)擴大段(duan)後，旋渦(wō)急劇減(jiǎn)速，壓力(lì)上升，中(zhōng)心區域(yu)的壓力(lì)比周圍(wei)壓力低(dī)，于是産(chan)生了局(ju)部回流(liú)；在回流(liu)作用下(xia)，渦核開(kāi)始像剛(gang)體一樣(yàng)圍繞中(zhong)心軸在(zai)擴張段(duàn)壁面做(zuo)螺旋進(jìn)動。其進(jìn)🏃動頻率(lǜ)與流體(ti)的流✌️速(sù)成正比(bi)。因此，測(ce)得旋進(jìn)🌈旋渦的(de)頻率即(jí)能反映(ying)流速和(he)體積流(liu)量的大(da)小。
2模型(xíng)建立與(yu)計算
2.1仿(pang)真模型(xíng)的建立(li)
　　根據現(xiàn)有的實(shi)物模型(xíng)使用NX建(jiàn)立仿真(zhen)模型，根(gen)據測繪(huì)得出DN25旋(xuán)㊙️進漩渦(wo)流量計(ji)重要尺(chi)寸：進出(chu)口直徑(jìng)爲25mm，收縮(suo)比爲1.25，收(shōu)縮段夾(jiá)角爲12°，起(qi)旋器葉(ye)片夾角(jiǎo)爲42°，擴張(zhāng)😄段夾角(jiǎo)爲60°，建立(li)如圖2所(suǒ)示三維(wei)模型。

　　再(zai)根據實(shi)物參數(shù)建立好(hao)的DN25旋進(jin)旋渦流(liú)量計模(mo)型的基(ji)礎上💃🏻進(jìn)行修改(gai)，得到DN20小(xiao)型旋進(jìn)旋渦流(liú)量計模(mó)型。DN20旋進(jin)旋渦流(liú)量計📧具(jù)體結構(gòu)尺寸數(shu)據如下(xia)：進出⭕口(kǒu)直徑爲(wèi)φ20mm，收縮段(duan)夾角爲(wei)12°，起旋器(qì)葉片入(rù)射角爲(wei)42°，收縮比(bi)爲1.25（喉部(bu)直徑爲(wèi)🤟φ16mm），擴張段(duan)夾角爲(wèi)60°，結構尺(chǐ)寸如圖(tú)3所示。

2.2流(liú)體力學(xue)控制方(fang)程和湍(tuan)流模型(xíng)
　　旋進旋(xuan)渦流量(liang)計的流(liu)體動力(lì)特性，可(ke)以用流(liu)體力學(xue)基本方(fang)程進行(hang)描述。
　　連(lián)續性方(fāng)程和動(dòng)量方程(chéng)：

式（1）、式（2）中(zhong)：p——靜壓；ui——流(liu)動速度(du)；f——質量力(li)；τij——應力質(zhì)量。

　　流量(liang)計内部(bù)爲湍流(liu)流動，需(xū)引入湍(tuān)流模型(xing)，标準的(de)K-Epsilon湍流🌏模(mó)型用🤩于(yu)強旋流(liu)或帶有(yǒu)彎曲壁(bi)面的流(liú)動時，會(hui)出現一(yī)📞定的🚶‍♀️失(shī)真，因此(ci)本文選(xuǎn)用RNGk-?湍流(liu)模型。湍(tuān)流模型(xíng)和🏒相關(guān)方程在(zài)文獻[5]中(zhong)有詳細(xi)說⭐明。
3K值(zhí)系數的(de)确定
3.1不(bu)同流量(liang)下的K值(zhí)系數
　　DN20小(xiǎo)型旋進(jìn)旋渦流(liu)量計的(de)範圍爲(wèi)2.5m3/h～25m3/h，分别選(xuan)擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h，作(zuo)爲仿真(zhēn)計🐇算🌏的(de)💘進出口(kou)流量，出(chū)口的相(xiàng)對壓力(lì)設爲0Pa，壁(bi)面爲無(wu)滑移邊(biān)界。先常(chang)定計算(suàn)，然後在(zai)常定計(jì)算的基(jī)礎上進(jin)行非常(chang)定計算(suan)。
　　選取上(shang)述4組仿(pang)真的同(tóng)一截面(mian)的同選(xuan)定一測(cè)量點，分(fèn)❌别計算(suàn)點的壓(yā)力變化(hua)頻率與(yu)壓差，從(cong)而判斷(duàn)不同流(liu)量下DN20小(xiǎo)型旋進(jìn)🧡旋渦流(liú)量計的(de)性能優(yōu)劣。
　　截面(mian)取喉部(bù)（擴張段(duàn)前截面(mian)處），截面(mian)上節點(dian)位置距(jù)離壁面(miàn)3mm，具🚶‍♀️體位(wei)置如圖(tu)4所示。不(bu)同流量(liàng)下的節(jiē)點的壓(ya)力變化(hua)雲圖如(rú)圖🌈5所示(shì)。

　　根據圖(tu)5數據，整(zhěng)理可得(de)到以下(xia)數據：流(liú)量爲25m3/h時(shi)，0.002s内壓力(lì)💔變化約(yue)爲3.9次，頻(pin)率爲1950Hz，換(huàn)算得K此(cǐ)時K系數(shu)約爲281000；流(liú)量爲12.5m3/h時(shi)，0.005s内壓力(li)變化約(yue)📱爲4.5次，頻(pin)率爲900Hz，換(huan)算得K此(ci)時K系數(shù)約爲259366；流(liu)量爲5m3/h時(shí)，0.02s内壓力(li)變化約(yuē)❓爲6.5次，頻(pín)率爲325Hz，換(huan)算得🔞K此(ci)時K系數(shu)約爲233981；流(liú)量爲2.5m3/h時(shí)，0.1s内壓力(lì)變化約(yuē)爲17次，頻(pín)率🐇爲170Hz，換(huan)算得K此(cǐ)時K系數(shù)約爲244957。
　　根(gen)據上述(shù)數據整(zhěng)理可得(de)：平均K系(xi)數值約(yue)爲254825。
　　以上(shang)數據存(cún)在以下(xia)問題：當(dang)測量低(di)流量（2.5m3/h）時(shí)，出現壓(ya)差減小(xiao)，壓力變(bian)化的範(fan)圍不大(da)，渦核轉(zhuan)動幅度(dù)減小，脈(mo)動效應(ying)不明顯(xiǎn)，不利于(yu)傳感器(qi)的測量(liang)。針對此(cǐ)問題，本(ben)文對DN20小(xiao)型旋進(jin)旋渦流(liú)量計進(jìn)行結構(gou)優化，以(yi)提高流(liú)量計在(zai)測量🚶低(dī)流量時(shi)的測量(liang)精度。
3.2針(zhen)對小流(liu)量測量(liàng)的結構(gou)優化
　　參(cān)考相關(guan)論文[7]，影(yǐng)響流量(liang)計儀表(biao)精度與(yu)最小測(cè)量流🎯量(liàng)的3個相(xiàng)📱關因素(su)爲：收縮(suo)段角度(dù)、起旋器(qì)入射角(jiao)和喉🐪部(bù)直徑（收(shōu)🌐縮比）。
　　仿(páng)真實驗(yan)選用三(san)因素三(sān)水平正(zhèng)交實驗(yan)，三因素(sù)分🌈别爲(wei)：起🥵旋角(jiǎo)、收縮角(jiao)和收縮(suo)比。起旋(xuán)角對應(ying)的三水(shui)平爲40/42/45，收(shōu)縮比對(dui)🛀🏻應的三(sān)水平爲(wei)（20:17）/（20:16）/（20:15），收縮角(jiao)對應的(de)三水🐉平(píng)爲13/12/13。綜♌合(he)考慮所(suo)有的因(yin)素要實(shi)驗27次，而(er)正交實(shí)驗隻要(yào)選取9組(zǔ)關鍵實(shi)驗，表1爲(wèi)正交實(shí)驗表。

　　依(yi)照三因(yin)素三水(shui)平正交(jiāo)實驗表(biao)，按順序(xu)進行正(zhèng)交❤️實驗(yan)，得到🛀🏻不(bú)同情況(kuang)下的相(xiàng)同時刻(ke)的截面(miàn)壓力雲(yún)圖如圖(tú)6所🤩示，截(jié)面壓力(lì)的⛱️變化(huà)圖如圖(tu)7所示。圖(tú)片按實(shi)驗序号(hao)一一🏃🏻‍♂️對(duì)應。、


　　由正(zheng)交實驗(yàn)所得到(dào)的數據(jù)可知，模(mo)型六與(yǔ)模型九(jiu)在🔅低流(liu)🚶‍♀️量的情(qing)況下仿(páng)真，壓力(lì)變化明(ming)顯，壓力(li)變化幅(fú)度🔴較原(yuán)模型顯(xian)著提高(gāo)，脈動效(xiao)應明顯(xiǎn)，即相較(jiao)于🔴原模(mó)型得到(dào)優化。
3.3确(que)定模型(xing)
　　爲了進(jìn)一步驗(yan)證模型(xíng)參數的(de)優化情(qing)況，選擇(ze)最優模(mo)型⭐，分别(bie)取不同(tong)的進口(kou)流量，對(dui)模型六(liù)與模型(xíng)九進行(háng)♉仿真實(shi)驗📧，計算(suàn)對應的(de)頻率和(he)K系數值(zhí)。
　　考慮到(dao)原模型(xíng)的流量(liàng)範圍在(zài)2.5m3/h～25m3/h，頻率爲(wei)150Hz～1500Hz，此次仿(pang)真實驗(yàn)取對應(yīng)🤞的進口(kǒu)流量爲(wèi)25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模型(xing)六不同(tóng)進口流(liú)量的對(duì)應壓力(li)變化圖(tú)如圖8所(suǒ)示。根據(jù)💰4組仿真(zhen)實驗所(suǒ)得數據(ju)，得到模(mo)型六的(de)頻率輸(shū)出♊範圍(wei)約爲‼️162Hz～2100Hz，K值(zhí)平均爲(wei)279845，較原模(mo)型提高(gao)約27%。

　　模型(xíng)九不同(tong)進口流(liu)量的對(dui)應壓力(li)變化圖(tu)如圖9所(suǒ)示🍉。根據(ju)4組仿真(zhēn)實驗所(suǒ)得數據(jù)，得到模(mó)型九的(de)頻率輸(shu)出範圍(wéi)約爲200Hz～2350Hz，K值(zhí)平✂️均爲(wèi)322343，較原模(mo)型提高(gāo)約46%。

　　根據(ju)所有相(xiang)關數據(ju)得出結(jie)論：模型(xíng)九相較(jiào)于模型(xíng)六❌有更(gèng)🙇‍♀️好的優(yōu)化效果(guo)。因此，選(xuan)取模型(xíng)九做爲(wei)最優模(mó)型
3.4測量(liàng)點的選(xuǎn)定
　　由于(yu)流量計(ji)的脈動(dòng)複雜性(xìng)，在管道(dao)内部對(duì)流場壓(ya)力🥵測♈量(liang)點的選(xuan)取至關(guān)重要。爲(wei)了選擇(zé)最優測(cè)量點，對(duì)整個模(mó)型進行(háng)仿📞真實(shí)驗，根據(ju)以往經(jīng)驗，選取(qu)喉🧡部附(fu)近不同(tóng)的8個位(wei)置進行(háng)相應的(de)測量，查(cha)看對應(ying)✌️的壓力(lì)變化，從(cóng)而判斷(duàn)最優的(de)測量點(diǎn)。本次仿(páng)真實驗(yàn)選擇的(de)8個🛀測量(liang)點的位(wei)置如圖(tú)10所示。

　　在(zài)低流量(liàng)2.5m3/h仿真環(huán)境下，選(xuan)擇如圖(tú)10所示的(de)8個不同(tóng)節點，比(bi)較壓力(li)變化幅(fú)度及峰(fēng)值的變(bian)化。由上(shàng)述實驗(yàn)❤️知模型(xing)九優化(hua)效果最(zuì)好，所以(yǐ)選用模(mó)型九做(zuò)爲本次(cì)仿真實(shí)驗的🌈仿(pang)真模型(xing)，圖11爲各(gè)個不同(tong)節點的(de)壓力變(bian)化圖，其(qí)中a、b、c、d、e、f、g和h與(yu)❓圖10上節(jie)點一一(yī)對應。
　　由(you)于脈動(dòng)信号的(de)拾取是(shì)通過壓(ya)力傳感(gan)器測得(de)，在傳🧑🏾‍🤝‍🧑🏼感(gǎn)器測👌量(liàng)🍓條件一(yī)定的情(qíng)況下，壓(yā)力幅值(zhi)變化越(yuè)大越容(rong)易測量(liàng)🈚。由圖11所(suo)得數據(ju)可知，c點(diǎn)和d點的(de)壓力✌️幅(fu)值與🚶‍♀️極(jí)值大于(yu)其他測(cè)量點，有(yǒu)利于壓(yā)力傳感(gan)器的檢(jian)測，綜✉️合(hé)所有實(shí)驗的壓(yā)力截面(mian)圖判斷(duàn)，确定最(zuì)♊優的檢(jiǎn)測點⭐在(zai)距離喉(hou)部末端(duān)約0mm～1mm，且距(ju)🆚壁面2mm～4mm處(chù)。

4結語
1）本(ben)文根據(ju)DN25旋進旋(xuán)渦流量(liàng)計實物(wù)模型，繪(hui)制出DN20小(xiǎo)型旋進(jìn)旋渦流(liu)量計，借(jiè)助ANSYSFluent對DN20小(xiao)型旋進(jin)旋渦流(liu)量計進(jìn)行仿☁️真(zhen)實驗，獲(huo)得了DN20小(xiǎo)型流量(liàng)計不同(tóng)結構的(de)内部流(liú)場及其(qi)信息，分(fèn)析了流(liu)量計工(gōng)作範圍(wei)内旋渦(wo)規律和(hé)流量之(zhi)間的關(guan)系，綜合(he)分析後(hòu)确定👨‍❤️‍👨其(qí)K值系數(shù)。
2）根據DN20微(wei)型旋進(jin)旋渦流(liú)量計在(zai)小流量(liàng)工況下(xia)的壓力(li)💋變化情(qíng)況🔴，優化(hua)了其結(jie)構，确定(dìng)起旋角(jiǎo)爲45°、收縮(suo)比爲20：15、收(shōu)縮角爲(wei)12°時🥵，可有(yǒu)效解決(jué)DN20微型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)對小流(liu)量的測(ce)量不精(jīng)确的問(wèn)題。
3）本文(wen)在優化(hua)模型的(de)基礎上(shang)，根據同(tóng)一流量(liàng)下的壓(ya)力變化(hua)情況，綜(zōng)合所有(yǒu)實驗，确(que)定了DN20小(xiǎo)型旋進(jin)旋渦流(liu)量計的(de)最優測(cè)量✌️點，爲(wèi)DN20小型流(liu)量計開(kai)發提供(gòng)了理論(lun)依據。
4）在(zài)上述仿(páng)真研究(jiū)和DN20建模(mo)的基礎(chǔ)上，依次(ci)制作了(le)DN20小型流(liú)量計3D打(dǎ)印樣機(ji)，通過測(ce)試其實(shí)際K系數(shù)在小流(liu)量段基(jī)本接近(jìn)理論值(zhi)，結果表(biǎo)明本文(wén)流量計(jì)的性能(néng)達到🌈了(le)開發預(yù)期。

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