摘要(yào):利用數值計算方(fāng)法研究了不同安(an)裝條件對渦輪流(liú)量計 性能的影響(xiǎng)。計算結果分析表(biǎo)明,安裝于流量計(jì)前🏃的單彎頭🥵、雙彎(wan)頭以及閥門等管(guan)道配件都會造成(chéng)流體速度趨于扁(bian)平分布和不對稱(cheng)分布以及産生🔆漩(xuan)渦流,都是影🌏響流(liú)量計計量精度的(de)主要原因。合理布(bù)置彎💘頭和閥門開(kāi)度的方向,使流體(ti)通過兩者🌈時産生(shēng)的漩渦流旋轉方(fang)向相反,則有✌️利于(yu)降低流量計進口(kou)前漩渦流的強度(dù),減少對流量計測(cè)量精度的影響。渦(wō)輪流量計的🏃‍♀️前導(dao)流件能有效消除(chú)流體速度中的漩(xuán)渦流㊙️分量,但在校(xiao)正速度🔴分布的不(bú)對稱性和扁平性(xing)方面效果并不顯(xian)著。
1引言
渦輪流量(liang)計的測量精度易(yi)受到流量計前管(guan)線安裝條件♈的☎️影(ying)響。一般管線系統(tǒng)中的各種管配件(jian),包❄️括閥🍓門、彎頭、變(bian)🤟徑管等所👨‍❤️‍👨産生的(de)流體幹擾都會引(yin)起流體速度分💋布(bu)發生畸變,産生漩(xuan)渦💜流和非對稱流(liú)等，影響了渦輪流(liú)量計的測量精度(du)。安裝條件對渦輪(lun)流量計性能的影(yǐng)響早就引起各🔴國(guó)學者的廣泛關注(zhù),并對此問題進行(háng)了較爲系統的實(shi)驗研究。先後利用(yong)實驗研究了渦🌈輪(lún)流量計進口前裝(zhuāng)有90°彎頭、不在同一(yī)平面内🏃‍♀️的雙彎頭(tou)、IS09951推薦的能夠産生(sheng)高和低流體幹擾(rǎo)的管線結構以及(ji)閥門]等對渦輪流(liú)量計測量精度的(de)影響。
近幾年數值(zhí)計算方法逐漸應(ying)用于渦輪流量計(jì)的研究中(8-12],與實驗(yàn)方法相比,數值計(ji)算方法具有成本(běn)低、更能提供詳細(xì)的三維流場以及(jí)能掌握管線結構(gòu)引起的各種流體(ti)幹擾的衰減規律(lǜ)等優點。數值計算(suàn)方法的有效性也(yě)逐漸得🔱到了驗證(zheng)E[8.12].但是迄今爲止仍(réng)未見文獻報道利(li)用數值計算🌈手段(duàn)研究安裝條件對(dui)渦輪🏃🏻‍♂️流量計性能(neng)的影響。
另一方面(mian),機動油料裝備逐(zhú)漸向小型化發展(zhan),選用計量裝🧡置時(shí)通常考慮選用測(cè)量精度高、質量輕(qing)的流量📱計，如渦輪(lún)流量計。然而渦輪(lún)流量計對前後直(zhí)💞管段的要求限制(zhi)了其🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在機動油料(liào)裝備上的使用。爲(wei)此,本文利用數值(zhi)計算手段就流量(liàng)計進口前裝💁有90°彎(wan)頭、不在同-平面内(nei)的雙彎頭以及雙(shuāng)彎頭之間有一個(gè)半圓形擋闆三種(zhǒng)安裝條件對流量(liàng)計内部流場以及(jí)測量精度的影響(xiǎng)進行研究,爲渦輪(lún)流量計♻️在機動油(yóu)料裝備🌈上的應用(yong)提供指導。.
2流體速(sù)度分布的特征參(cān)數
流體幹擾影響(xiang)渦輪流量計測量(liang)精度的速度畸變(biàn)🔞主要💁體現在☎️三個(ge)方面:速度分布的(de)扁平性、漩渦流和(hé)速度分布的非對(duì)稱性。爲了能定量(liang)描述流體幹擾引(yǐn)起的速度⛹🏻‍♀️畸變,Mickan定(dìng)義了軸向動量⭐數(shu)K。、漩流數K,和🈲非對稱(chēng)數🌈K,三個特征💛參數(shù)5)。本文🐕引人這三⚽個(gè)參數,以便于後面(mian)的分析。
軸向動量(liàng)數K。用于衡量流體(tǐ)軸向動量通量的(de)轉動力矩的💛大🌈小(xiǎo)⛹🏻‍♀️,其計算式爲:
 
式中(zhong):u爲軸向流速,um爲平(píng)均流速,r爲徑向坐(zuò)标，ρ爲流體密度,R爲(wèi)管線半徑,A爲管線(xiàn)的橫截面積。對于(yu)充分發展流,Ku爲定(dìng)值,約爲0.62,而我們所(suǒ)關心的是充分發(fā)展流與幹擾流之(zhī)間㊙️的差别，故常用(yong)☎️反映兩者差别的(de)參量△Ku(其值等于Ku-Ku0),它(ta)對渦輪流量計的(de)測量精度具有較(jiào)大的影響。.
漩流數(shu)Kv用于衡量軸向漩(xuán)渦的強度。由于渦(wō)輪流量計的轉♍速(su)易受漩渦流的影(yǐng)響,因此Kv的大小對(duì)其有重要的影響(xiǎng)。其計算式爲:
 
式中(zhong):v爲切向流速。
非對(duì)稱數KA用于衡量速(su)度分布對稱性的(de)程度,用管⛱️線橫截(jié)面上流體質心與(yǔ)對稱軸之間的距(ju)離來表示,其計算(suàn)式爲:
 
式中:y、z分别爲(wèi)管線橫截面上的(de)直角坐标,m爲質量(liàng)流量🐅。
3數值計算模(mó)型
3.1基本方程組
描(miao)述渦輪流量計内(nèi)部流場的基本方(fāng)程組爲連續性方(fāng)🈲程、N-S運🤟動㊙️方程和紊(wěn)流模型。目前還沒(mei)有普遍适用的紊(wen)流模型,本文選用(yong)💯較常用的标準k-ε雙(shuāng)方程模型。模型方(fāng)程中相關系㊙️數取(qǔ)值📱分别爲🥵:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網格劃(huà)分和邊界條件
在(zai)數值計算過程中(zhong),渦輪流量計的葉(yè)輪處于旋轉狀态(tài),故葉輪部分的網(wǎng)格劃分疏密對計(ji)算結果的正确率(lǜ)具有重要的影響(xiǎng),在網格劃分時對(duì)葉輪表面的網格(ge)進行了适當🐆的局(ju)部加密處理。前、後(hòu)導流㊙️件部分區域(yù)采用六面體網格(gé)🏃🏻,其他區域🌍采用四(sì)面💛體網格,葉輪部(bu)分全部采用四面(miàn)體網格,單流量計(ji)㊙️計算區域内網格(gé)總數爲97.31萬個,其中(zhong)葉輪部分🌏的網格(gé)總數爲67.42萬個。
爲了(le)減少在計算過程(cheng)中因計算域進口(kǒu)與出口位置對渦(wō)👅輪流量計内部流(liu)場的影響,本文計(jì)算域的進口與出(chu)口适當向外作了(le)延伸，上遊直管段(duàn)長度爲.5D,下遊爲10D。進(jin)口采用圓管紊流(liu)流速分布的1/7律來(lai)确定。凡與流體相(xiàng)接觸♋的所有固體(tǐ)界面上采用無滑(hua)🔴移固體璧面🚩條件(jian),出口施加定靜壓(ya)。
4數值計算
4.1流量計(jì)前的管線結構
文(wen)中采用的渦輪流(liú)量計結構如圖1所(suǒ)示。流量計的内徑(jìng)爲15mmm,葉輪🆚葉片數爲(wei)4片,前、後導流件采(cai)用橢球形端面。
 
本文主要分析(xi)了Casel~Case5等5種結構，見圖(tu)2。
 
Case1:流量計前是一長(zhǎng)爲5D的直管段。
Case2:90°的彎(wān)頭，其前有一5D長的(de)直管段。考慮到機(jī)動油料裝✨備上流(liú)量計💜的安裝空間(jiān)非常受限，彎頭與(yu)流量計進口之間(jiān)的距離設爲1D。
Case3:不在(zai)同一平面内的雙(shuāng)彎頭,兩彎頭之間(jiān)有一長爲0.5D的直管(guǎn)段🌍,進口管段長度(du)和第二個彎頭與(yu)流量計進口的距(jù)♊離同Case2。
Case4:在Case3的雙彎頭(tóu)中間位置上布置(zhi)了一個1mm厚的半圓(yuan)薄闆，薄闆位于雙(shuāng)彎頭的外側位置(zhì)。
Case5:除了半圓薄闆的(de)位置在雙彎頭的(de)内側外,管線結構(gou)同Case4。
研究Case4和Case5的管線(xiàn)結構主要目的有(you)兩個:一是研究閥(fa)門對💞流量🧡計測量(liàng)精度的影響;二是(shi)閥門開度與彎✌️頭(tóu)的相對😄方向不同(tong)時對流量計測量(liàng)精度的影響。
4.2計算(suàn)結果與分析
計算(suan)參數:流體的進口(kou)平均速度um爲5m/s,計算(suàn)介質爲20℃的水。
 
圖3示(shi)出了不同條件下(xià)渦輪流量計進口(kou)處在4個方向上的(de)軸向和切向流速(su)分布。從圖中可以(yi)看到,對于Casel這種管(guǎn)線結㊙️構,軸向流💰速(su)符合充分發展流(liú)的速♻️度分布🔅,切向(xiàng)流速分量很小。而(ér)且在進口橫截面(mian)上，根據式(1)~(3)計算得(dé)到Ku0等于0.62,Kv和KA分别🔞等(děng)于0,因此可作爲參(cān)考量用于其它管(guan)線結構的分析。本(běn)文對所有計算結(jié)果的分析都以此(cǐ)作爲參考進行的(de)。
當流量計前裝有(you)90°彎頭時(Case2)，軸向流速(su)在管線對稱軸上(shàng)附近🈲表現爲最小(xiǎo)，然後向管壁兩側(cè)增加,呈現了非對(duì)稱的馬鞍型分布(bu),且切向流速表現(xiàn)出了二次流現象(xiang)。
當流量計前的管(guan)線結構爲不在同(tong)一平面内的雙彎(wān)頭時(Case3)，軸向流速出(chu)現了與Casel相似的非(fei)對稱的馬鞍型分(fèn)布,不過其不對稱(cheng)程度要比Casel小，但流(liu)速更呈扁平分布(bù);切向流速同樣出(chū)現了二次流現象(xiang),其漩渦強度則要(yào)比Casel強得多。
對于兩(liǎng)個彎頭之間有一(yī)半圓薄擋闆的兩(liang)種管線結💛構🐆Case4和Case5,軸(zhou)向流速的不對稱(cheng)分布非常嚴重。除(chu)了在θ=90°這個🧡方向上(shang)軸向流速呈馬鞍(ān)型分布外,在其餘(yu)三個方向上幾乎(hu)🈲是從管璧的一.側(cè)向另-側單調遞增(zēng)❗的趨勢。不過,兩種(zhong)管線結構的切向(xiàng)流速則表現出了(le)不同的分💚布趨勢(shì)。當半圓薄闆布置(zhi)在雙彎頭的外側(cè)(Case4),流體速度中含有(you)很強的切向流速(su)分布,其最大值幾(ji)乎達到了🐇平均流(liú)速的60%。當半圓薄闆(pan)布置在雙彎頭的(de)内側(Case5),切向流速分(fen)量要比Case4的小得多(duo),甚至🔴小于Case3。
造成這(zhè)種差别主要是由(yóu)于對于Case4,流體通過(guò)半圓薄闆後産生(shēng)的漩渦方向和通(tōng)過彎頭後産生的(de)漩渦方向相同💯，因(yin)此在流🚶‍♀️量計🏃🏻進口(kǒu)前表現出比Case3更高(gāo)的切向流速分量(liang),而Case5的情👈況則反之(zhi)。由于這個原因,Case4計(jì)算得到的渦輪流(liú)量計儀表系數與(yǔ)Casel相比,其誤差偏移(yi)爲-1.79%,而CaseS則僅爲-0.23%,見表(biao)1。這個計算結果同(tong)時說明了在渦輪(lun)流量計前合理布(bù)置彎頭和閥i]開度(du)之間的相對方向(xiàng),有助于降低漩渦(wo)流的強度，從而減(jiǎn)少對流量計量性(xing)能的影響。同樣我(wo)們研究了流體通(tong)過前導流件後在(zai)其輪毂末端處軸(zhou)向流速和切向👣流(liú)速🧡的分布情況,見(jiàn)圖4。
 
從圖4中可以看(kàn)到,受導流件輪毂(gū)的影響，流道面積(ji)🔞減少♈,軸向流速增(zeng)加;在θ=90°和θ=0°兩個方向(xiàng)上正對導流件🌐葉(yè)片,受其尾流的影(ying)響,軸🈲向流速明顯(xian)要比其它兩個方(fāng)向上的軸向流速(su)低。從圖中同時可(kě)以看到,流體經過(guo)前導流件的導流(liú)作用🐅後,切向流速(su)顯著減小,在θ=90°和θ=0°兩(liǎng)個方向上漩渦角(jiǎo)的大小基本上能(neng)滿足ISO9951規定的小于(yu)2°的标準，圖中以虛(xū)線表示,在其它㊙️兩(liang)個方向上切向流(liú)速的最大分量也(ye)不超過平均流速(su)的20%;但是其軸向流(liu)速的不對稱分布(bù)和扁平性并沒有(yǒu)得到有效的改善(shan),同樣是Case5的軸向流(liú)速的不對稱分布(bu)最爲顯著。
不同安(ān)裝條件下在渦輪(lun)流量計進口和前(qián)導流件輪🔞毂💘末端(duān)兩㊙️個橫截面上Ku、Kv、KA、以(yǐ)及流量計儀表系(xì)數誤差偏🌈移的計(ji)算值見表1。
 
從表1中(zhong)可以看到，造成流(liú)量計儀表系數誤(wu)差偏移最大🆚的是(shì)Case4這種管線結構,達(dá)到了-1.79%,這和前述分(fèn)析相‼️一緻。表中的(de)結果同時說明了(le)渦輪流量計中的(de)前導流件消除漩(xuan)渦流的效率非常(chang)高,但是其在改善(shàn)速度分布的不對(duì)稱性和扁平性上(shàng)的效果并不顯🚶‍♀️著(zhe)。因此,認爲若将渦(wō)輪流量計的前導(dǎo)⚽流件結構進行改(gai)進,采用孔闆整流(liú)器和翼式整流器(qi)相結合的組合式(shì)結構,這樣既能有(yǒu)效消除漩渦流,又(yòu)能有效改♊善速度(dù)分布的不對稱性(xìng)和扁平性,必✏️将顯(xian)著改善導流件的(de)整流效果,減少渦(wo)輪流量計進口流(liu)速分布對測量精(jīng)度😘的影響,降低其(qi)安裝要求,使其更(gèng)🚶适合用于機🔞動油(you)料裝備上的計量(liàng)裝置。
5結論
本文利(li)用數值計算手段(duan)研究了流量計前(qián)安裝有單✏️彎頭、不(bu)在同一平面内的(de)雙彎頭以及雙彎(wān)頭之間有一半圓(yuán)擋闆等管線結構(gou)對流量計内部流(liu)場和測量精度的(de)影響,得到了以下(xia)結論🚩:
(1)由管線結構(gòu)引起的流體幹擾(rao)造成流體速度分(fen)布含有🧡漩渦💔流分(fen)量、軸向速度分布(bù)不對稱性和扁平(ping)性,使流量計計量(liang)産生誤🌍差,本文的(de)算例中最大誤差(chà)達到了-1.79%。
(2)彎頭與閥(fa)廣1開度之間的相(xiàng)對方向影響流量(liang)計的測量精度⭐,若(ruo)流體通過彎頭和(he)閥門時所産生的(de)漩渦流方向☀️相同(tong)，則增加了流量計(jì)的計量誤差,反之(zhī)‼️則減少計量誤差(chà)。
(3)流量計中前導流(liú)件能有效減少漩(xuán)渦流強度,但在🔆改(gǎi)善速度分布的不(bú)對稱性以及扁平(píng)性方面的效果并(bing)🔞不明顯。

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