摘要:爲了(le)解決數量逐年(nián)增多的低産井(jing)流量測量問題(tí),設計了🏃🏻一種精(jīng)度高渦輪流量(liang)計 。通過理論分(fen)析與數值仿真(zhen)對 渦輪流量計(jì) 的三維流場進(jìn)行了分析,并優(you)化出其最合理(lǐ)結構♈。利用實驗(yan)裝置将精度高(gao)渦輪流量計與(yu)傳統渦輪🔞流量(liang)👨‍❤️‍👨計的響應特性(xing)⁉️進行了對比,結(jié)果表明,精度高(gao)渦輪流量計在(zài)單相水介質中(zhong)，啓動排量0.3m³/d,低于(yu)傳統渦輪流量(liang)計的1.0m³/d,分辨率也(yě)有1.7倍的提高,可(ke)見精度高🏃渦輪(lún)流量計在低流(liu)量測量中具有(yǒu)良好的應用前(qián)❓景。
　　渦輪流量計(ji)以其結構簡單(dān)、測量精度高、重(zhòng)複性好而廣泛(fan)應用于油田流(liu)量測量領域。在(zài)我國,随着大㊙️部(bu)分油田進入開(kai)發中後期,低産(chǎn)井數量逐年增(zēng)多。爲了準确掌(zhǎng)握這些低産井(jǐng)的🏃‍♀️産量情況，評(ping)估其可開采價(jià)值,需要準确測(ce)量其流量信息(xi)。衆♉所周知，隻☁️有(yǒu)流量大于💜啓動(dòng)排量,渦輪流量(liang)計才會給出響(xiang)應,所以研發設(shè)計出一種啓動(dòng)排量低的精度(dù)高渦輪🏒流量計(ji),無疑對于油田(tián)流量測量具有(yǒu)重要的意義。自(zì)👄20世紀30年代渦輪(lun)流量計發明後(hou),經過國🍉内外無(wu)數科研工作者(zhě)的研究和探索(suo),其基本理論和(hé)相應的👣模型都(dōu)已非常成熟。但(dàn)是目前對于渦(wo)輪流量計的研(yán)究主要集中在(zai)大流量條件下(xia)的使用,低流量(liang)條件下的啓動(dòng)和響應特性研(yan)究較少,難以滿(man)足實際生産中(zhong)對于低流量條(tiáo)件下渦輪流量(liàng)計的使用需求(qiu)。
　　利用目前流行(háng)的有限元計算(suan)軟件AN-SYS對渦輪流(liu)量計🔆流場進行(hang)👉仿真計算,設計(ji)出一種精度高(gao)渦輪流量計,通(tong)過室内實驗表(biǎo)明其啓動排量(liàng)和分辨率與傳(chuan)統渦輪流量計(jì)相比都有了大(dà)幅度的提高。
1理(li)論分析①
　　渦輪流(liu)量計作爲速度(dù)式儀表,以動量(liàng)矩守恒爲基礎(chu)💚,渦輪流量計基(jī)本力矩平衡方(fāng)程爲[1]:
 
式中
Tb一軸(zhou)與軸承的粘性(xìng)摩擦阻力矩(流(liu)動産生的力矩(ju));
Td一渦輪流量計(ji)轉動的驅動力(li)矩;
Th一輪毂表面(mian)的粘性阻力矩(ju);
Tm一磁電阻力矩(ju)和軸與軸承的(de)機械摩擦阻力(lì)矩之和🙇‍♀️;
T1一葉片(pian)頂端與傳感器(qì)外殼的粘性摩(mo)擦阻力矩;
Tw一輪(lún)毂端面粘性摩(mo)擦阻力矩;
J一渦(wō)輪的轉動慣量(liàng);
ɷ-渦輪轉動的角(jiǎo)速度。
　　當流速較(jiao)低時,渦輪流量(liàng)計處于靜止狀(zhuàng)态,此時角⭐速度(dù)ɷ非常低,接近于(yu)0,Tb和Tw也可以忽略(lue)不計。在這種情(qíng)況下，式(1)可以簡(jiǎn)化爲:
 
　　由式(2)可以(yi)看出提高驅動(dong)力矩是降低渦(wō)輪流量計啓動(dòng)排量的一-條捷(jié)徑。如圖1所示，傳(chuán)統渦輪流量計(ji)入口端是直管(guǎn)段和軸向導流(liu)片,流體流經渦(wō)輪葉☀️片之前隻(zhī)有軸向速度🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,對(duì)渦輪的驅動力(li)矩隻是對🏃‍♂️渦輪(lun)葉片作用力的(de)徑向分力産生(sheng)的力矩。因爲渦(wō)🌏輪葉片螺旋角(jiao)爲45°,如果将導流(liú)片改爲螺旋角(jiao)爲-45°的螺旋導流(liú)片(圖2),當流體進(jin)入導流片時會(hui)産生旋轉,方向(xiàng)與渦輪葉片正(zhèng)交,使得流體在(zai)✂️軸向流動速度(du)不變的基礎上(shang)增加🔆了徑向的(de)旋轉運🚩動,流體(ti)的旋轉方向與(yǔ)渦輪葉片的轉(zhuan)動方向一緻,在(zài)相同流量✏️條件(jian)下,增加了流體(ti)對渦輪葉片的(de)驅動㊙️力,實現降(jiang)🙇🏻低啓動排量和(hé)提高分辨率的(de)目的,整體結構(gòu)如圖3所示🈚。
 
2仿真(zhen)研究
　　Workbench是ANSYS公司開(kai)發的協同仿真(zhēn)環境,是将仿真(zhen)過程結合在--起(qi)的平台，可以大(da)大簡化仿真過(guò)程中各模塊間(jian)的交互操作。通(tōng)過幾何建模(圖(tu)4)、網格劃分、計算(suàn)求解及後處理(li)等過♍程,可以⭕比(bǐ)較準确地仿真(zhen)複雜機械模型(xíng)的各物理參數(shù)場分布[2-4]。
 
　　利用Turbogid對(duì)計算域進行網(wang)格劃分,将其劃(hua)分爲約10萬個🍉六(liu)面體網格。人口(kou)、出口部分爲.靜(jìng)止網格，,采用絕(jue)對參考系,葉💯片(piàn)部分爲動網⭐格(gé),繞圓心轉動,采(cai)用相對參考系(xi)㊙️,參考系🐉轉動速(sù)度與網格轉速(su)相同。網格劃🥵分(fèn)情況如圖5所示(shi)。
 
　　如圖6~8所示,流體(ti)流經渦輪流量(liàng)計之前,壓力較(jiào)高,速度較低，經(jīng)🙇‍♀️過導流片時産(chan)生旋轉,速度得(de)到提升,壓力降(jiàng)低。當通過💃導流(liu)片後,壓力、速度(du)基本不變,依然(ran)保持旋轉狀态(tai),遇到渦⭐輪葉片(pian)阻擋後✍️,流速降(jiang)低,壓力進一-步(bu)㊙️減小，流體所攜(xie)帶的能量傳遞(di)給渦輪葉🏃🏻片,對(duì)渦輪葉片産生(shēng)較大的驅動力(li)矩,推動其轉動(dong)👉。
 
　　爲了得到導流(liu)片螺旋角與渦(wō)輪葉片螺旋角(jiao)的匹🚶‍♀️配,利用💁ANSYS軟(ruǎn)件對不同角度(dù)導流片的驅動(dong)力矩進行計算(suan)，其中管道直徑(jìng)爲14mm,渦輪葉片直(zhi)徑爲13.5mm,重疊度爲(wei)1.64,葉片螺旋角爲(wei)45°,導流片螺旋角(jiao)分别設爲-35°、-45°和-55°,來(lai)流條件分别設(she)💃爲0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于速度較(jiào)低,采用層流模(mó)型,各不同工況(kuang)條件下渦輪葉(ye)片受到的驅動(dong)力矩情況如圖(tú)9所示。導流片螺(luo)旋角爲-45°時渦輪(lún)👉葉片受力更大(da),更容易啓動。此(ci)時渦輪葉片螺(luó)旋角與導流片(piàn)螺旋角恰好成(cheng)90°,可充分利用流(liú)㊙️體動量使渦輪(lún)葉♉片更易啓動(dòng),模拟結果與上(shàng)述理論分析相(xiang)符。
 
3實驗研究
　　通(tong)過搭建實驗平(ping)台(圖10)對計算結(jie)果進行驗證。實(shi)驗平台應具備(bei)以下兩個功能(neng):在低流量下能(néng)夠非常🔞平穩🚶的(de)運行;具備精确(què)測👌量流量的功(gong)能。
　　該平台以單(dan)相水流爲介質(zhi),循環流動通過(guò)水泵實現😍;流量(liàng)的精确控制主(zhǔ)要通過固定上(shang)遊水位和調節(jie)閥來實現,流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量(liang)的🍉測量🙇🏻采用簡(jian)便可靠的容積(ji)時☁️間法。
 
　　實驗平(ping)台中上方爲穩(wen)壓水箱,提供-一(yi)個穩定的壓力(li)源,在管道内阻(zu)力不變的情況(kuang)下,保證管道内(nei)流速不會發生(shēng)變化,經過2m長的(de)下降段,流人渦(wō)輪流量計,随後(hou)流出實驗管道(dao),通過量筒計量(liang)可以精确得🈚到(dao)管路内的流速(su)。通過高速攝影(yǐng)可以清🌍晰的觀(guan)察低速條件下(xia)渦輪流量計的(de)響應情況🐕。
　　爲了(le)驗證精度高渦(wo)輪流量計的響(xiang)應情況,實驗将(jiang)精度高渦輪流(liú)量計與傳統渦(wō)輪流量計在相(xiàng)同條件下進行(hang)對比。
　　實驗介，質(zhì)爲單相水,流量(liang)範圍0~20m³/d,通過調節(jiē)不同的流量🆚點(dian)來記錄輸出頻(pin)率,流量點誤差(chà)優于1%,每次測量(liang)時間爲60s,采樣間(jian)隔爲🐅5ms,每點測量(liàng)3次取平均值,測(ce)量數據見表1。
 
4結(jié)論
4.1理論研究與(yu)數值仿真确定(dìng)了精度高渦輪(lun)流量計的🌈合理(lǐ)結構,即導流片(piàn)螺旋角爲-45°與渦(wo)輪葉片正交時(shí),同樣來流條⚽件(jiàn)下驅動力矩大(dà)。
4.2.在單相水條件(jian)下,高靈敏渦輪(lun)流量計啓動排(pai)量0.3m³/d,遠低于傳💚統(tǒng)渦輪流量計的(de)1.0m³/d,分辨率也有1.7倍(bei)的提高,可以解(jie)🏃🏻決部分單🚶井産(chan)量低于1.0m³/d的低産(chan)井的流量測量(liàng)問題。
4.3該流量計(ji)結構簡單、調試(shì)方便、不改變現(xiàn)有儀器結構,易(yì)于規模推廣應(yīng)用。

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