摘要：爲(wèi)優化小流量(liàng)渦輪流量計(jì) 結構,建立小(xiao)流量渦輪流(liu)量計的數學(xue)模型和三維(wei)🈚模🈲型,通過其(qí)流場特性進(jìn)行仿真分析(xi),研究導流架(jià)端部❗的形㊙️狀(zhuàng)、葉輪與導流(liu)架之間凹槽(cao)寬度、葉輪面(mian)積和形狀對(dui)葉輪穩定旋(xuán)轉的影響,并(bing)對不同結構(gou)💰導流架端部(bù)的小流量渦(wo)輪流🚶‍♀️量計的(de)流♊場特性進(jìn)行了分析,圓(yuan)錐形結構葉(ye)輪的高壓低(dī)✂️速區面積最(zuì)🛀🏻小，能夠有效(xiao)減少壓力損(sǔn)失,提高流量(liàng)計的測量精(jing)度。
0引言
　　渦輪(lun)流量計 是一(yī)種典型的速(sù)度式流量計(jì),具有精度高(gāo)、重複性好、結(jie)構簡♋單✌️、在石(shi)油、化工、航空(kong)航天、電力等(děng)領域有着及(jí)⛷️其重要的應(yīng)用🐅中。爲🌐解決(jue)氣液兩相流(liú)量計量💋問題(ti),文獻[2]設計了(le)一種雙渦輪(lun)質量流🈲量計(jì);文獻[3]針對傳(chuan)統渦輪流量(liàng)計需鋪設電(diàn)源線和信号(hào)傳輸電纜,使(shǐ)用不方便的(de)問題,設計了(le)一種基于ARM單(dān)片機的🐅無線(xiàn)渦輪流量🔴計(jì);文獻[4]采用3葉(yè)片長螺旋形(xíng)結💔構設計了(le)一種新型的(de)渦輪流量計(jì);文獻[5]研究了(le)基于渦輪式(shi)氣體流量傳(chuán)感器的呼氣(qì)容量計算方(fang)法;文獻[6]研究(jiu)了渦輪流量(liang)計變📞粘度流(liu)量計算與校(xiao)準方法♍;文獻(xiàn)[7]研究了一種(zhǒng)高壓氣🐉體渦(wo)輪流量計。這(zhè)些研究🏃🏻‍♂️推動(dong)了渦輪流量(liàng)計研究和應(ying)用,随着小流(liú)量計量精度(dù)要求的不斷(duàn)提高，小流量(liang)渦輪流量計(jì)的流場特性(xing)等受🎯到關注(zhù)。本文從小流(liú)量渦輪流量(liang)計設計需求(qiú)出發,通過建(jiàn)立小流量渦(wō)輪流♍量計的(de)數學模型、三(san)維模型,仿真(zhen)分析小流量(liang)渦輪流量計(ji)的流場🈲特性(xing)，研究其優化(huà)設計。
1渦輪流(liu)量傳感器工(gong)作原理
　　渦輪(lun)流量計依靠(kao)流經管道的(de)流體對置于(yú)管道内葉輪(lun)葉片的‼️沖擊(ji)驅動葉輪轉(zhuan)動,如圖1所示(shi)，其核心結構(gòu)包括📧殼體、前(qián)後導流架、葉(yè)輪、軸承和磁(ci)鋼。其中殼體(tǐ)連接外部管(guǎn)道,固定内部(bu)結構部件,對(duì)進入殼體内(nei)的流體進行(hang)微整流;葉輪(lun)空心輪毂内(nei)裝磁鋼,兩端(duan)裝有軸承,與(yu)導流架.配合(he),保證葉輪穩(wěn)定旋轉,實現(xiàn)流量大小的(de)計量。
 
2小(xiǎo)流量渦輪流(liu)量計數學模(mó)型
　　流體流速(su)流量與葉輪(lún)角速度成比(bǐ)例關系,通過(guò)對渦.輪葉片(pian).上🧑🏾‍🤝‍🧑🏼力矩的分(fèn)析,綜合小流(liu)量渦輪流量(liàng)計🥵的葉🔅輪結(jié)構特性及其(qí)制造工藝,依(yi)據動量矩定(ding)理得到葉輪(lun)運動方程爲(wèi)🤞:
 
　　式(1)中,J爲葉輪(lun)轉動動量;ɷ爲(wèi)葉輪旋轉角(jiao)速度;Md爲葉輪(lun)🐕驅動力矩,Mr,爲(wèi)葉片表面粘(zhān)性摩擦阻力(li)矩;Mb爲軸與軸(zhou)🤟承間的粘性(xìng)摩擦阻♍力矩(ju);Mh爲輪毂周面(miàn)上粘性摩擦(cā)阻力矩;Mw爲輪(lún)毂端面上的(de)粘性📱摩擦阻(zu)🔴力矩;Mt爲葉片(pian)頂端與殼體(tǐ)間隙的粘性(xing)摩擦阻力矩(jǔ);Mm爲電磁阻力(lì)矩和軸承上(shàng)摩擦阻力矩(jǔ)之和。
式(1)中:
 
　　式(shi)(3)中ρ爲流體密(mì)度;Q爲流體體(ti)積流量;u1爲流(liú)體的軸向來(lai)👌流速度;u2爲流(liu)體流出時葉(yè)片速度;a1爲流(liú)體流人時與(yǔ)葉輪圓周方(fāng)向的🏃夾角🌈;a2爲(wei)流體流出葉(ye)片與葉輪圓(yuan)周切⚽向的夾(jiá)角;如圖2葉片(piàn)入口和出♍口(kou)的速度平面(mian)圖所示。
　　當流(liu)量恒定時,式(shi)(3)中ρ、Q、u1、a1爲已知量(liàng),考慮到葉輪(lun)葉片旋轉方(fang)✏️向上👅流體進(jin)出口線速度(du)相同,記進出(chū)口線速度分(fen)别設爲Ur1和✍️ur2,ur1=ur2=ur;記(jì)流❌體與葉輪(lún)葉片出入口(kou)的相對角速(sù)度分别爲ɷ1和(hé)ɷ2,則圓周運動(dong)方向夾角β2與(yǔ)葉片與軸線(xiàn)結構夾角θ之(zhī)間有式(4)所示(shì)關系:
 
 
　　式(9)中,ɷh?爲(wèi)輪毂處角速(sù)度;βw爲平均相(xiàng)對流速方向(xiang)與葉輪軸線(xian)間角度;Ah爲葉(yè)片部分輪毂(gu)面積,R0爲葉輪(lún)所在殼體内(nèi)徑,Rh爲輪毂半(ban)徑
輪毂周面(mian)粘性摩擦阻(zǔ)力矩Mhf爲:
 
3渦輪(lun)流量計三維(wei)流場仿真與(yu)優化設計
3.1葉(yè)輪三維模型(xíng)建立
　　基于上(shang)述分析可見(jian)，葉輪的運動(dong)特性主要受(shòu)其結構參數(shù)、流體粘性系(xi)數等影響。爲(wèi)分析小流量(liang)渦輪結構的(de)流場特性,設(she)計參數如表(biao)1所示葉輪系(xi)統,借助UG軟件(jian)建立其三維(wei)仿真模型;将(jiang)該三維模型(xíng)導入ANSYSWork-bench軟件中(zhōng)仿真。
 
　　考慮到(dao)葉輪的運動(dong)性能是流量(liàng)計量的核心(xin),仿真中采用(yòng)小💁四面體網(wǎng)格。小尺寸窄(zhǎi)表面采用局(jú)部網格,渦輪(lún)旋轉區劃分(fen)的網格數約(yuē)爲230萬,整個模(mo)型劃🏃🏻‍♂️分的網(wang)格總數爲353萬(wan)。
3.2葉輪流場特(tè)性分析
3.2.1葉輪(lun)速度場分析(xī)
　　分别取流量(liàng)爲5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉輪流(liu)場仿真分析(xī),獲得上述流(liú)🌏量下🙇‍♀️葉輪❌後(hòu)導流架後端(duān)速度矢量圖(tu)(圖3(a),(b),(c)所示),可見(jiàn)流體🐉與前導(dao)流架前🛀🏻端碰(pèng)撞産生低速(su)區，靜壓力變(bian)大,且随流量(liàng)增大而變㊙️大(dà),壓力損失明(ming)顯;流體進入(rù)前導流架後(hou),流速加快,雷(lei)諾數增加,湍(tuān)流強度變大(dà)。流體進入葉(yè)輪前，先流經(jīng)葉輪與前後(hou)導流架連接(jie)🍉的槽,由于槽(cao)内流速低,此(cǐ)時流量的速(su)度分布不均(jun)🔆,且有強渦流(liú)産生。回流導(dao)葉尾端速度(du)矢量圖如圖(tú)3(d)所✨示,流體在(zai)後導流架後(hòu)端出現長尾(wěi)流,尾流長度(du)随流量增大(da)而減小。
 
 
3.2.2壓力(li)場分析
　　分析(xi)上述三個不(bú)同流量時流(liú)道内壓力場(chang),發現随着流(liu)量增加,葉輪(lún)、導流架上遊(yóu)面形成的靜(jing)壓變高,葉片(pian)上遊面和葉(yè)片下遊面的(de)壓力随着流(liu)量的增加而(er)減小(如圖🔞4所(suo)示),可見,導流(liú)架端部的形(xing)狀、葉輪與導(dao)流架之間凹(āo)槽寬度、葉輪(lun)🈲面積和形🧑🏽‍🤝‍🧑🏻狀(zhuang)對葉輪穩定(dìng)旋轉均有明(ming)顯影響。
3.3結構(gou)優化設計
3.3.1導(dǎo)流架頭部結(jie)構設計
　　基于(yu)上述CFD仿真分(fèn)析結果,爲有(you)效減小葉輪(lun)壓力.損失,将(jiang)原導🏃‍♂️流架頭(tou)部的球形分(fèn)别設計橢球(qiu)型和圓錐形(xíng),改進後的導(dao)流架頭部尺(chǐ)寸如圖5所示(shi)。
 
3.3.2結構優化後(hou)葉輪三維流(liu)場特性
　　基于(yu)上述結構,仿(pang)真流量爲Q=5.2184L/min和(hé)Q=16.6981L/min時，不同導流(liú)架結構下葉(yè)🍉輪速🔅度場,由(you).圖6可見,圓錐(zhuī)形結構葉輪(lun)的高壓低速(sù)區面積最小(xiǎo),其次是橢圓(yuán)形體,球形結(jié)構葉輪的高(gao)壓🏃‍♂️低速區面(mian)積最大,圓錐(zhuī)形結構👣能夠(gòu)有效減🈚少壓(ya)力損失,提高(gāo)流量計的測(ce)量精度。在前(qián)導流架🥰環狀(zhuang)流動路徑中(zhōng)，圓錐形流體(tǐ)的速度分布(bù)最均勻🍉的，橢(tuǒ)圓體結🔅構次(ci)之,球形結構(gòu)😍最差,圓錐結(jie)構⛱️具有較好(hǎo)的整流效果(guǒ)⭐。
流量爲Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shi),改進後導流(liú)架頭部形狀(zhuàng)後端形成的(de)尾流✨如圖7所(suo)示。圓錐形結(jié)構尾流面積(ji)最小,橢球形(xíng)較小，球形結(jie)構尾流面積(jī)最大,三種形(xíng)狀的尾流中(zhōng)均有渦💁流出(chu)現,圓錐形産(chan)生渦流最小(xiao),壓力損失最(zui)小。
4結論
　　本文(wen)從小流量渦(wō)輪流量計設(shè)計需求出發(fa),通過建立小(xiao)流💔量渦🍉輪流(liu)量計的數學(xue)模型、三維模(mo)型,基于小流(liu)量渦輪流量(liang)計的流場特(te)性,優化改進(jin)了其導流架(jia)結構,所得結(jie)論如下:
(1)由于(yú)流體對前導(dao)流架沖擊,會(hui)導緻葉輪靜(jìng)壓力變.大,流(liú)道面積變小(xiao),流速增大,經(jīng)前導流架進(jin)人葉輪旋轉(zhuǎn)區後随葉輪(lun)旋轉形🆚成旋(xuan)流。
(2) 随着流量(liàng)增加,葉輪、導(dǎo)流架上遊面(miàn)形成的靜壓(ya)變高,葉片上(shàng)👉遊面和葉片(pian)下遊面的壓(yā)力随着流量(liang)的♌增加㊙️.而減(jiǎn)小。
(3)圓錐形結(jie)構葉輪的高(gao)壓低速區面(mian)積最小，能夠(gou)有效減少壓(yā)力❗損失,提高(gao)流量計的測(cè)量精度。此外(wài),在🌏前導流架(jià)環狀流動路(lu)徑中,圓錐形(xíng)流體的速度(du)分布最均勻(yun)的，較橢圓體(ti)球形導流架(jia)結構,圓錐結(jie)構🐅具有最好(hao)的整流效果(guǒ)。

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