[摘要]采(cǎi)用計算(suàn)流體力(lì)學(CFD)的方(fang)法對一(yi)口徑爲(wèi)80mm的氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計 進(jìn)行工況(kuàng)條件的(de)數值模(mo)拟研究(jiu).通過計(jì)算,分析(xi)了流量(liàng)計在🌈不(bú)同流量(liang)下,各部(bù)件包括(kuo)前整流(liú)器.前導(dao)流器、機(jī)芯殼體(ti)、葉輪支(zhī)座、葉輪(lún)和後.導(dǎo)流器對(dui)壓力損(sǔn)失的🐇影(ying)響,給出(chū)了各部(bu)件的🐕流(liu)量與壓(yā)力損失(shī)的關系(xi)曲線及(ji)其壓力(li)損失比(bi)例.數值(zhi)模拟結(jie)果與實(shí)驗結果(guǒ)相符,進(jìn)而從流(liu)道🐉内的(de)壓力分(fen)布和流(liú)場分析(xī)壓力損(sun)失原因(yīn)并提出(chu)減少☁️壓(yā)力損失(shi)的改進(jin)思路.
　　在(zài)天然氣(qi)的采集(ji)、處理、儲(chu)存、運輸(shu)和分配(pèi)過程中(zhōng),需要數(shù)以百萬(wàn)計的流(liú)量計,它(tā)既是天(tian)然氣供(gòng)需雙方(fang)貿易結(jié)算的依(yi)據,也是(shi)生産部(bu)門用氣(qì)效率的(de)主要技(jì)術指🥵标(biāo)，因此對(duì)流量🈲計(jì)測量正(zheng)确率和(he)可靠性(xing)有要求(qiu).
　　氣體渦(wō)輪流量(liang)計屬于(yú)速度式(shì)流量計(jì),是應用(yong)于燃氣(qì)貿易計(jì)🌈量的三(san)大流量(liang)儀表之(zhī)一，由于(yú)具有重(zhong)複性好(hao)、量程範(fàn)圍寬、适(shi)應性強(qiang)、精度高(gāo)、對流量(liàng)變化反(fan)應靈敏(mǐn)♋、輸出脈(mò)沖信号(hao)🔴、複現性(xing)好和體(ti)積小等(děng)特點，氣(qì)體渦輪(lun)🎯流量計(jì)近🐅年來(lai)已在👅石(shí)油、化工(gōng)和天然(rán)氣💃🏻等領(ling)域獲得(dé)廣泛的(de)應用☁️”。
　　随(sui)着渦輪(lún)流量計(ji)在管道(dao)計量領(lǐng)域的廣(guang)泛使用(yòng),天然氣(qi)🔞管㊙️道輸(shu)送過程(cheng)中的能(neng)耗成爲(wèi)不容忽(hū)視的問(wèn)❗題，而👅天(tiān)然氣管(guan)道輸送(song)過程中(zhōng)的壓力(lì)損失是(shì)産生能(néng)源消⛱️耗(hào)的主要(yao)原因之(zhī)一.爲保(bǎo)證天然(rán)氣能順(shun)利🍓輸送(sòng)至用戶(hu)端,就需(xu)✉️要提高(gao)各壓氣(qì)站的輸(shū)送壓力(lì)🔞并盡量(liang)減少管(guǎn)道輸送(sòng)過程中(zhōng)的壓力(lì)損失,而(er)各級管(guan)道上的(de)計⭐量流(liú)量計所(suǒ)造成的(de)壓力損(sǔn)失占有(you)很大比(bǐ)重，因此(cǐ),氣體🈚渦(wo)輪流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shi)研究對(duì)節能減(jian)排和推(tuī)動我國(guó)燃氣計(jì)量儀表(biǎo)産業的(de)發展具(ju)有較好(hao)的推動(dong)作用，
　　目(mù)前，渦輪(lun)流量計(jì)的優化(hua)主要通(tong)過改良(liang)其導流(liu)件、葉輪(lún)，軸🐪承、非(fēi)磁電信(xin)号檢出(chu)器等部(bu)件的結(jie)構尺寸(cun)和加工(gōng)工藝，來(lai)改善流(liú)量計測(ce)量氣體(tǐ)、高粘度(dù)流體和(hé)小流量(liang)時的特(te)性.孫⛷️立(li)軍[切對(duì)降低渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qì)粘度變(biàn)化敏感(gan)度進行(háng)了研究(jiu).SUN等0采㊙️用(yong)了Standardke湍流(liu)模型數(shù)值模拟(nǐ)口徑爲(wei)15mm的渦輪(lún)流量計(jì)的内部(bù)流動,結(jie)果表明(míng)壓力損(sǔn)失受到(dào)前端和(hé)後端形(xíng)狀、導流(liu)體💋半徑(jìng)、導流體(tǐ)的導流(liú)片和渦(wo)輪葉片(pian)厚度的(de)影響.劉(liu)正先和(he)徐蓮環(huan)回雖✂️然(rán)對氣體(ti)渦輪流(liú)量計的(de)流動🈚進(jìn)行實驗(yan)測量和(hé)數值計(ji)算，發現(xian)前導流(liu)器的💁結(jie)構變化(hua)對後面(mian)各部🏃件(jian)内的💜氣(qi)體流動(dong)速度梯(tī)度和壓(yā)力恢複(fu)也有明(ming)顯影響(xiang),使總壓(yā)力損失(shi)進一步(bu)放大🥵或(huò)減小,但(dàn)對流量(liàng)計的其(qi)它部件(jian)未進行(háng)分析.本(ben)文🤞将對(duì)一種🔞型(xíng)号氣體(ti)渦輪流(liu)量計各(ge)部件的(de)壓力損(sǔn)失與流(liu)量的關(guan)♊系進行(háng)分析研(yan)究，以提(ti)出其優(yōu)化思路(lu).
1渦輪流(liú)量計的(de)基本結(jié)構及工(gong)作原理(li)
　　本文采(cǎi)用80mm口徑(jing)氣體渦(wō)輪流量(liàng)計作爲(wei)研究對(duì)象,對其(qí)進行内(nei)部流道(dào)的壓力(li)損失數(shù)值模拟(ni).氣體渦(wō)輪♊流量(liàng)計結構(gòu)示意圖(tu)如圖1.氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)實物如(rú)圖2,其中(zhōng)圖2(a)爲渦(wō)輪流量(liang)計實物(wu)圖,圖2(b)爲(wei)渦輪流(liú)量計機(ji)芯葉輪(lún)實物圖(tú).
 
　　氣體(ti)渦輪流(liú)量計的(de)原理是(shi),氣體流(liú)過流量(liàng)計推動(dòng)渦輪葉(yè)片旋轉(zhuan),利用置(zhì)于流體(ti)中的葉(ye)輪的旋(xuán)轉角👅速(sù)度與流(liu)體流速(su)成⭕比例(li)的關系(xì)，通過測(cè)量葉輪(lun)轉速來(lái)得到流(liu)體🔆流速(su)，進而得(de)到🐕管道(dào)内的流(liu)量值[10].渦(wō)輪流量(liàng)計輸出(chu)的脈沖(chong)頻率S與(yu)所測體(tǐ)積;流量(liang)qv成正🌈比(bi)，即
 
　　式(2)中(zhōng):J一葉輪(lún)的轉動(dong)慣量;t一(yī)時間;ω一(yi)葉輪的(de)轉速;Tt一(yī)推動👌力(lì)矩;Trm一機(jī)械摩擦(ca)阻力矩(jǔ);Ttf一流動(dong)阻力矩(jǔ);Tre一電磁(ci)阻🐅力矩(jǔ).
2計算模(mó)型
2.1數學(xue)模型
　　設(she)定渦輪(lun)流量計(jì)數值模(mó)拟的工(gōng)作介質(zhì)爲空氣(qì).流動處(chù)于湍流(liu)流動，數(shu)值模拟(nǐ)湍流模(mo)型采用(yong)RealizableK-e模型，該(gāi)模型适(shì)用👄于模(mó)🔞拟計🐕算(suan)旋🌈轉流(liu)動.強逆(nì)壓梯度(dù)的邊界(jie)層流動(dong)、流動分(fen)離和二(er)次流🏒等(děng),其模型(xing)方程表(biǎo)示爲11]1:

 
2.2流(liú)體區域(yù)網格劃(huà)分
　　使用(yòng)Solidworks三維設(shè)計軟件(jiàn)依照實(shí)物尺寸(cun)對渦輪(lun)流量計(jì)各部件(jian)🏃‍♂️進行🏃建(jian)模及組(zu)裝，簡化(huà)主軸、取(qǔ)壓孔和(he)加油孔(kong)等對流(liu)體區🥵城(chéng)影響較(jiào)🏃‍♀️小的部(bu)分，
　　先對(dui)機芯部(bù)分做布(bù)爾運算(suàn)得到純(chún)流體區(qū)域，然後(hòu)對葉輪(lún)外加☁️包(bao)絡體形(xing)成旋轉(zhuǎn)區域，在(zài)機芯進(jin)出口🧑🏽‍🤝‍🧑🏻前(qián)後🐅均加(jia)💔上15倍📐機(ji)芯口徑(jing)的直管(guǎn)段，以保(bǎo)證進出(chū)口流動(dong)爲充分(fèn)發展湍(tuan)流.
　　全部(bù)流體區(qū)域包括(kuò)前後直(zhi)管段、葉(yè)輪包絡(luo)體以及(jí)機芯部(bù)分的🐆流(liu)體區域(yu).用Gambit軟件(jiàn)對三維(wéi)模型進(jìn)行網格(gé)劃分，對(dui)流體💔區(qu)域中的(de)小面和(hé)尖角等(děng)難以生(sheng)成網格(ge)的部分(fen)進行優(you)化和簡(jiǎn)化🏃🏻‍♂️處理(lǐ)，流體區(qu)域使用(yòng)非結構(gou)化混合(hé)網格，并(bing)對機芯(xin)⭕流道内(nèi)葉輪等(deng)流動情(qíng)況較複(fu)雜區域(yu)進行了(le)局部加(jiā)密，如圖(tu)3.其中圖(tu)3(a)爲機芯(xīn)流體區(qū)域📞網格(gé)圖，圖3(b)爲(wei)葉輪網(wang)格圖,整(zhěng)體網格(ge)總數量(liang)約230萬.
 
2.3數(shù)值模拟(nǐ)仿真條(tiáo)件設置(zhì)
　　數值計(jì)算時，爲(wèi)方便模(mo)拟結果(guǒ)與實驗(yàn)結果的(de)對比,環(huán)境溫度(dù)、濕度和(he)壓力設(shè)置與實(shí)驗工況(kuang)相同,流(liu)體介質(zhì)選擇空(kōng)氣,空氣(qì)的密🌈度(dù)ρ和動力(li)粘度”根(gēn)據Rasmussen提出(chū)的計算(suàn)規程拟(ni)合推導(dǎo)出的簡(jian)化公式(shi)(5)和(6)計算(suan)獲得：
 
　　模(mó)型選擇(zé)Realizablek-e湍流模(mo)型，壓力(li)插值選(xuǎn)擇Bodyforceweighted格式(shì),湍流動(dòng)能、湍流(liú)耗散項(xiang)和動量(liàng)方程均(jun1)采用二(èr)階迎風(feng)格式離(li)散，壓力(lì)與速度(dù)的耦合(he)采用SIMPLEC算(suan)法求解(jiě)，其餘設(shè)置均采(cǎi)用Fluent默認(rèn)值.
　　計算(suàn)區域管(guǎn)道人口(kou)采用速(sù)度入口(kǒu)邊界條(tiáo)件，速度(dù)🐉方☁️向垂(chui)⭕直于人(rén)口直管(guan)段截面(miàn)，出口邊(bian)界條件(jiàn)采用壓(yā)力出口(kǒu).葉輪包(bao)絡體設(she)置爲動(dong)流動區(qū)域,其餘(yú)爲靜流(liú)動♍區域(yu)，采用interface邊(biān)界條件(jiàn)作爲分(fèn)界面，對(dui)于旋轉(zhuǎn)🚶‍♀️部分和(hé)靜止部(bù)分之間(jiān)的耦合(he)🔞采用多(duō)重參考(kǎo)坐标模(mó)型(MRF).葉輪(lun)采用滑(huá)移邊界(jie)條件且(qiě)相對于(yú)附近旋(xuán)轉流體(tǐ)區域速(sù)👨‍❤️‍👨度爲零(ling).葉輪轉(zhuǎn)速☀️是通(tōng)過使用(yong)FLUENT軟件中(zhong)的TurboTopol-ogy與TurboReport功(gōng)能，不斷(duan)調🛀🏻整葉(ye)輪轉速(su)，觀察葉(yè)輪轉速(su)是否達(dá)👣到力矩(ju)平衡來(lai)确定的(de)。
3數值模(mo)拟結果(guǒ)分析
　　在(zai)流量計(ji)流量範(fàn)圍内選(xuan)取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這(zhè)6個流量(liang)點進行(háng)同工況(kuang)環境數(shu)值模拟(nǐ)，得到氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)的内部(bu)流場🈲和(hé)壓🏃🏻力分(fen)💃布等數(shù)據💃🏻.進口(kǒu)橫截面(miàn)取于前(qian)整流器(qì)前10mm處，出(chu)口橫截(jié)面取于(yu)後導👉流(liú)體後10mm處(chù).計算渦(wō)輪流量(liang)計進出(chu)口橫截(jié)面上的(de)壓力差(chà)，即得到(dào)流量計(jì)的壓力(lì)損失。
 
　　圖(tu)4爲流量(liang)與壓力(lì)損失之(zhi)間的關(guān)系曲線(xian),圖中實(shi)驗值是(shì)在工況(kuang)條件下(xia)使用音(yin)速噴嘴(zuǐ)法氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhi)測🔆得.
　　根(gēn)據圖4中(zhōng)壓力損(sǔn)失随流(liú)量的變(bian)化趨勢(shi)，可以将(jiang)流量🛀🏻與(yu)👣壓力損(sǔn)♈失之間(jian)的關系(xì)拟合曲(qǔ)線爲二(èr)次多項(xiang)式,其表(biao)達式爲(wèi)
 
　　這與流(liu)量計的(de)壓力損(sǔn)失計算(suan)公式(8)趨(qu)勢相符(fú),均爲二(èr)次函數(shù)，且數值(zhí)模拟結(jié)果與實(shi)驗結果(guǒ)吻合得(dé)較好，說(shuō)明渦輪(lún)流量計(jì)的内部(bù)流場數(shù)值模拟(nǐ)方法及(jí)結果是(shi)☂️可行且(qiě)可靠的(de)⭐.流量計(jì)的壓力(lì)損失計(ji)算公式(shi)爲。
 
式(8)中(zhong):△P----壓力損(sun)失;α壓力(li)損失系(xì)數;υ----管道(dào)平均流(liú)速.
　　以流(liu)量Q=250m³/h的數(shù)值模拟(nǐ)計算結(jie)果爲例(li)進行渦(wo)輪流量(liang)計内🈲部(bù)流場及(ji)壓力場(chǎng)的分析(xī).圖5爲渦(wō)輪流量(liàng)計軸向(xiang)剖🈲面靜(jing)壓分布(bu)圖.前導(dao)流器前(qián)後的壓(yā)力場分(fèn)布🐅較均(jun)勻💚且壓(yā)力梯度(dù)較小，在(zài)機芯殼(ké)體與葉(ye)輪支座(zuo)連接凸(tū)台處壓(ya)力有☁️所(suo)增加,連(lián)接面後(hou)壓力又(you)逐漸🌈減(jian)小.故認(ren)爲流體(ti)流經葉(ye)輪支座(zuo)産生壓(yā)力損失(shi)的主要(yào)原因是(shì)連接處(chu)存在凸(tu)台,導緻(zhì)流場出(chu)現較大(dà)變化，不(bu)能平滑(huá)過渡,建(jiàn)議将葉(yè)輪支座(zuo)與機芯(xīn)殼體的(de)😘連接改(gǎi)爲圓弧(hu)線型或(huo)流線型(xing).
　　觀察圖(tú)5和圖6,當(dang)流體流(liu)經葉輪(lún)從後導(dǎo)流器流(liu)出渦輪(lun)流量計(ji)時,壓力(li)梯度變(bian)化明顯(xiǎn)，存在負(fù)壓區域(yù)并造成(cheng)👈很大的(de)壓降，在(zai)後導流(liu)器凸台(tái)及流量(liàng)計出口(kou)處速度(dù)變化明(míng)顯，由于(yú)氣流通(tong)過後導(dǎo)流器後(hou)流道突(tu)擴,在後(hòu)💜導流器(qi)背面形(xíng)成明顯(xiǎn)的低速(su)渦區，産(chan)生漩渦(wo)二次流(liú)。
 
　　結合圖(tú)7、圖8流量(liang)計軸向(xiàng)剖面和(he)出口橫(héng)截面的(de)總壓及(ji)速度分(fen)布圖,其(qi)速度分(fèn)布與壓(yā)力分布(bù)相似,流(liu)量計流(liú)🐉道内速(su)度㊙️分布(bù)較均勻(yun)的區域(yù)其壓力(lì)梯度變(biàn)🎯化也較(jiao)⭕小，即流(liu)道内速(sù)度的分(fèn)布和變(bian)化與壓(yā)力損失(shī)大小相(xiang)關.由流(liu)量計軸(zhou)向剖面(mian)和出口(kou)橫截面(miàn)的⭐速度(du)及壓力(li)分布圖(tu)可以‼️看(kan)出,流量(liang)計後導(dao)流器處(chu)産生的(de)漩渦二(èr)次流影(yǐng)響了出(chu)口橫截(jie)面處的(de)🏃速度及(jí)壓力分(fèn)布,流體(tǐ)呈螺旋(xuán)狀流動(dòng),故出口(kǒu)處速度(du)及壓力(lì)較大區(qū)域均偏(piān)⚽移向流(liú)體旋轉(zhuan)方向。
 
　　流(liú)量計各(gè)部件的(de)壓力損(sun)失随流(liú)量變化(hua)的趨勢(shi)與流量(liang)計總壓(yā)力損失(shi)随流量(liang)的變化(huà)趨勢相(xiang)同,其拟(ni)❗合公式(shi)爲🍉系數(shù)💜不同的(de)二次多(duō)項式，各(gè)部件的(de)壓力損(sun)失與流(liu)量呈🌈二(er)次函數(shu)關系💋，随(sui)着流量(liàng)的增加(jia)，壓力損(sǔn)失顯著(zhe)增加.
 
　　觀(guān)察圖10各(ge)部件壓(ya)力損失(shī)百分比(bi)圖，可見(jiàn)前整流(liu)器、前導(dǎo)流器和(hé)機芯殼(ké)體處的(de)壓力損(sǔn)失很小(xiǎo)，葉輪支(zhī)座處❄️壓(yā)力損失(shī)約占總(zǒng)壓力損(sun)失的1/4.前(qian)整流器(qì)所占壓(ya)力損失(shi)比例⛷️在(zài)各流量(liang)點基本(běn)保持🔆不(bu)變,前導(dǎo)流器和(hé)機芯殼(ke)體處的(de)壓力損(sun)失随流(liu)量的增(zeng)加其比(bǐ)🐆例略有(you)降低,葉(ye)輪支座(zuò)處壓力(li)損失随(sui)✂️流量的(de)增加其(qi)比例略(lue)有增加(jiā),但總體(ti)上受流(liú)量影響(xiang)不大.葉(yè)輪處的(de)壓力損(sǔn)失随流(liu)量從13m³/h增(zēng)加至250m³/h,其(qi)比例從(cong)15.88%降至8.71%,降(jiang)📞幅明顯(xiǎn).後導流(liú)器處💜的(de)壓力損(sun)失占總(zǒng)壓力損(sǔn)失的大(dà)半,随着(zhe)流量從(cong)13m³/h增加至(zhì)250m³/h其壓力(li)損失比(bi)例由43.77%升(sheng)至55.83%,增幅(fú)明顯.總(zong)之,後導(dǎo)流器、葉(ye)輪支座(zuo)和葉輪(lun)是流體(ti)流經渦(wo)輪流量(liàng)計産生(sheng)壓📐力損(sǔn)失的主(zhu)要影響(xiang)部件,可(ke)通過優(yōu)化其結(jié)構以降(jiang)低渦輪(lún)流量計(jì)的總壓(ya)力⛱️損失(shī).
4結語
　　本(ben)文采用(yòng)Fluent軟件對(duì)一口徑(jing)爲80mm的渦(wō)輪流量(liàng)計内部(bu)進行了(le)數值模(mo)拟計算(suan),分析内(nei)部流場(chang)、壓力場(chǎng)及各部(bù)件産生(sheng)的壓力(lì)損失,得(dé)出以下(xia)結論:
1)漩(xuán)渦二次(cì)流是産(chǎn)生能量(liàng)消耗的(de)主要原(yuan)因,故建(jian)議對渦(wo)輪⛷️流量(liàng)計葉輪(lun)支座及(ji)後導流(liu)器進行(háng)幾.何參(cān)數的優(yōu)化,将其(qi)👨‍❤️‍👨凸台💔邊(biān)緣🐆改爲(wèi)流線型(xing)以減少(shao)流道突(tū)擴的影(ying)響.減少(shǎo)後導流(liú)器葉片(pian)厚度🌈并(bing)增加其(qi)長度及(jí)數量以(yi)減弱氣(qi)體螺旋(xuán)狀㊙️流動(dong),減弱漩(xuan)渦二次(ci)⁉️流,達到(dao)降低☀️流(liú)量計壓(yā)力損失(shī)的目的(de).
2)分析各(gè)部件對(dui)壓力損(sun)失的影(ying)響,其壓(ya)力損失(shi)與流量(liang)成📐二🐅次(ci)函數關(guān)系.後導(dao)流器相(xiàng)對于其(qi)他部件(jian)是🛀🏻壓力(li)損失的(de)主要因(yin)素,約占(zhàn)總壓力(li)損失的(de)一半,随(suí)🈲着流量(liang)的增加(jia)其壓力(lì)㊙️損失占(zhàn)總壓力(lì)損失的(de)比例上(shang)升了12.13%.葉(ye)輪支座(zuò)的🌈壓力(lì)損失🏒約(yue)占總壓(yā)力損失(shi)的1/4,其壓(ya)力損失(shi)⛹🏻‍♀️比例随(sui)流量的(de)增加基(jī)本不變(biàn).随着流(liu)量的增(zēng)加葉輪(lun)産生的(de)壓力損(sǔn)👣失比例(lì)降幅明(míng)❌顯.
　　通過(guo)數值模(mo)拟分析(xī)得出速(su)度的分(fen)布和變(bian)化與壓(yā)力損失(shī)大小✂️相(xiàng)關,通過(guò)優化流(liu)量計流(liu)道内的(de)速度分(fèn)布可降(jiang)低流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shi),後續相(xiàng)關的渦(wo)輪🏃🏻‍♂️流量(liàng)計優化(huà)研⭐究可(ke)從優化(hua)其流道(dào)内速度(dù)分布人(rén)手.

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