摘(zhāi)要:運用(yong)數值模(mo)拟和實(shi)驗測試(shi)相結合(he)的方法(fǎ)，對氣體(ti)渦輪流(liú)量計 進(jìn)行了結(jie)構改進(jìn)和性能(neng)優化。基(jī)于内部(bu)流體的(de)壓力場(chang)和速度(du)場特征(zhēng)分析,得(dé)出了影(yǐng)響流量(liàng)計性能(néng)的主要(yào)結構爲(wèi)表芯支(zhi)座和後(hou)導流體(tǐ),主要因(yīn)素爲表(biao)芯支座(zuò)側面的(de)壓力梯(ti)度驟降(jiang)和後導(dǎo)流體下(xià)遊的尾(wěi)流耗散(san)。通過對(duì)表芯支(zhi)座和後(hou)導流體(tǐ)進行結(jié)構優化(hua),流量計(jì)的計量(liang)性能得(dé)到了提(tí)升。表明(ming):結構優(you)化後流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失在最(zuì)大流量(liang)下減小(xiǎo)了約42.61%,最(zui)大示值(zhi)誤差降(jiàng)低了22.45%左(zuo)右，儀表(biǎo)系數也(yě)更加趨(qu)于恒定(dìng)。結論有(you)助于爲(wei)今後開(kāi)發性能(néng)更好的(de)氣體渦(wō)輪流量(liang)計提供(gong)理論指(zhǐ)導和技(jì)術支持(chi)。
　　氣體渦(wo)輪流量(liang)計是一(yī)種速度(du)式的流(liu)量傳感(gan)器，具有(yǒu)測量精(jīng)度高、量(liàng)程範圍(wéi)廣、可靠(kào)性好以(yǐ)及使用(yòng)方便等(děng)優點。随(suí)着我國(guo)西氣東(dōng)輸工程(chéng)的全線(xiàn)貫通，縱(zòng)橫交錯(cuò)的天然(rán)氣管網(wang)使我國(guo)形成世(shì)界上天(tiān)然氣管(guan)網。氣體(ti)渦輪流(liu)量計被(bèi)廣泛應(ying)用于天(tiān)然氣管(guǎn)網中的(de)貿易計(ji)量，市場(chang)前景廣(guǎng)闊。氣體(ti)渦輪流(liú)量計的(de)結構改(gai)進及其(qi)性能優(you)化在流(liu)量計量(liang)領域具(ju)有十分(fèn)重要的(de)應用價(jià)值與現(xian)實意義(yì)。
　　将氣體(ti)渦輪流(liú)量計前(qián)整流器(qi)的葉片(pian)截取合(hé)适切角(jiǎo)，發現當(dāng)葉片切(qie)角參數(shù)爲0.25時流(liu)量計的(de)性能最(zui)好。對前(qian)整流器(qì)結構進(jin)行分析(xi),得到了(le)流量計(jì)壓力損(sǔn)失和線(xian)性度誤(wu)差均爲(wèi)最小時(shi)前整流(liú)器的葉(yè)片數與(yu)長度。在(zai)前導流(liu)體研究(jiu)方面.将(jiāng)前導流(liu)體直徑(jing)、前導流(liú)體與輪(lun)毂間距(ju)作爲改(gǎi)進參數(shù),比較了(le)不同結(jié)構參數(shu)下氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計的(de)性能指(zhi)标。用流(liú)線型前(qian)導流體(ti)結構代(dai)替傳統(tong)半球形(xing)前導流(liú)體，使得(dé)流量計(ji)的壓力(li)損失降(jiàng)低了近(jìn)33%。一種三(san)葉片長(zhang)螺旋葉(ye)輪結構(gou)，流量計(jì)測量的(de)重複性(xìng)明顯提(tí)高,測量(liang)的相對(dui)示值誤(wù)差明顯(xiǎn)降低。基(jī)于響應(ying)面法和(he)正交試(shì)驗法，得(dé)出了影(ying)響流量(liang)計性能(neng)的葉輪(lun)結構參(cān)數順序(xu)爲:葉輪(lun)頂端半(ban)徑>葉輪(lun)葉片數(shu)>葉輪輪(lun)毂長度(dù)>葉輪輪(lun)毂半徑(jìng)。在後導(dao)流體方(fang)面，優化(huà)了後導(dǎo)流體的(de)葉片倒(dǎo)角。發現(xian)流量計(ji)的壓力(lì)損失随(sui)着葉片(pian)倒角的(de)增大而(er)增加。通(tong)過數值(zhí)模拟對(dui)流量計(jì)内部的(de)流場特(te)征進行(háng)分析,發(fā)現後導(dao)流體産(chǎn)生的壓(yā)力損失(shī)達到了(le)總壓力(lì)損失的(de)55%。
　　綜上所(suǒ)述,前人(ren)對氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計的(de)研究主(zhǔ)要集中(zhōng)在葉輪(lún)、前整流(liú)器與前(qián)導流體(tǐ)部分，而(ér)對後導(dao)流體與(yu)表芯支(zhī)座的結(jié)構改進(jìn)及其性(xìng)能優化(huà)目前還(hái)較爲少(shǎo)見。實際(ji)上,後導(dao)流體在(zai)流量計(ji)中對流(liú)體起到(dào)穩流和(hé)導流的(de)作用,表(biao)芯支座(zuo)是固定(ding)葉輪的(de)主要結(jie)構,它們(men)均會對(dui)流量計(ji)的性能(neng)産生影(yǐng)響。因此(ci),以TM80氣體(ti)渦輪流(liu)量計爲(wei)對象,采(cai)用數值(zhi)模拟與(yǔ)實驗測(cè)試相結(jie)合的方(fāng)式,研究(jiū)流量計(ji)内部的(de)流場特(te).征，提出(chu)針對表(biao)芯支座(zuò)和後導(dao)流體的(de)結構優(yōu)化方案(an)，進而評(píng)估優化(huà)前後流(liu)量計的(de)性能指(zhǐ)标,探索(suo)出提高(gao)流量計(ji)計量性(xìng)能的方(fāng)法。
1流量(liang)計的物(wù)理模型(xíng)與性能(neng)指标
1.1流(liú)量計的(de)物理模(mó)型
　　以氣(qì)體渦輪(lun)流量計(ji)爲研究(jiū)對象,流(liú)量計的(de)結構主(zhǔ)要由前(qián)整流器(qi)、前導流(liu)體、葉輪(lun)、表芯支(zhi)座、後導(dao)流體以(yǐ)及殼體(ti)等組成(cheng),其物理(li)模型如(ru)圖1所示(shi)。流量計(ji)的前整(zheng)流器采(cai)用葉栅(shan)結構，葉(ye)栅數爲(wèi)16;前導流(liú)體由第(dì)二級16片(piàn)葉栅(與(yǔ)前整流(liu)器葉栅(shan)呈11.5°夾角(jiǎo))和80mm長的(de)圓柱結(jié)構組成(cheng);表芯支(zhi)座用于(yú)固定葉(ye)輪，葉輪(lún)的葉片(piàn)數爲12,螺(luó)旋角爲(wei)45°;後導流(liú)體置于(yu)葉輪之(zhī)後,用于(yu)穩定出(chū)口處的(de)氣流。
 
 
　　氣(qì)體渦輪(lun)流量計(jì)的工作(zuò)原理爲(wèi):被測氣(qì)體從管(guǎn)道流入(ru)流量計(ji)，首先經(jīng)過前整(zheng)流器和(hé)前導流(liú)體進行(háng)整流,之(zhi)後氣流(liu)推動葉(ye)輪使之(zhi)産生周(zhōu)期性旋(xuán)轉,葉輪(lún)轉速與(yǔ)被測流(liu)體的平(ping)均流速(sù)成正比(bi)。葉輪旋(xuán)轉後帶(dài)動磁電(diàn)轉換器(qi)，使其磁(ci)阻值發(fa)生變化(hua),在感應(ying)線圈中(zhong)産生周(zhōu)期性變(bian)化的感(gǎn)應電勢(shì),該信号(hào)經放大(dà)器放大(dà)後送至(zhì)儀表盤(pán)顯示。
1.2流(liú)量計的(de)性能指(zhǐ)标
　　根據(ju)氣體渦(wō)輪流量(liang)計檢定(dìng)規章《JJG1037-2008》壓(ya)力損失(shi)、儀表系(xì)數、線性(xìng)度誤差(cha)等是衡(héng)量氣體(ti)渦輪流(liú)量計計(ji)量性能(néng)的重要(yào)指标。
①壓(ya)力損失(shi)
　　壓力損(sun)失△P表征(zhēng)流體通(tong)過流量(liang)計的能(néng)量損失(shī),降低壓(yā)力損失(shi)能夠減(jian)少流量(liàng)計在使(shi)用過程(cheng)的能耗(hao)氣體通(tong)過流量(liàng)計的壓(yā)力損失(shī)計算公(gōng)式爲:
 
式(shi)中:α爲壓(yā)力損失(shī)系數;ρ爲(wei)氣流密(mì)度，單位(wèi)爲kg/m3u爲氣(qi)流流速(su),單位爲(wei)m/s。
②儀表系(xì)數
　　儀表(biao)系數K是(shi)表征流(liu)量計測(cè)量準确(que)度和量(liàng)程比的(de)關鍵性(xing)能指标(biao)。各流量(liàng)點的儀(yi)表系數(shù)Ki與待測(cè)氣流體(tǐ)積流量(liang)Qi及流量(liàng)計輸出(chu)脈沖頻(pín)率ƒ的關(guān)系式爲(wei):
 
按計量(liàng)檢定規(gui)章，儀表(biao)系數K可(kě)以由式(shì)(3)進行計(ji)算:
 
　　式中(zhōng):(K)max和(Ki)min分别(bie)表示流(liú)量計在(zài)分界流(liu)量maxmin點q,到(dào)最大流(liú)量點qmax範(fan)圍内各(gè)個流量(liang)檢定點(dian)得到Ki的(de)最大值(zhí)和最小(xiǎo)值，單位(wei)爲(m3)-1。K越接(jiē)近恒定(ding),表示流(liú)量計的(de)測量穩(wen)定性越(yue)高,進行(hang)流量轉(zhuan)換時的(de)精度也(ye)越高。
③最(zuì)大示值(zhí)誤差E
　　爲(wei)了定量(liang)表征儀(yi)表系數(shu)的穩定(dìng)性，引入(ru)最大示(shi)值誤差(cha)。根據計(jì)量檢定(ding)規章,最(zuì)大示值(zhi)誤差E可(ke)以由式(shi)(4)進行計(jì)算:
 
　　在量(liàng)程範圍(wei)内最大(da)示值誤(wù)差越小(xiao)，表明流(liú)量計的(de)儀表系(xì)數越穩(wěn)定,線性(xìng)度也就(jiu)越好。
2數(shu)值模拟(nǐ)與實驗(yan)測試方(fang)法
2.1數值(zhi)模拟方(fang)法
　　氣流(liu)在氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計内(nèi)部的流(liú)動遵循(xun)流體力(li)學的基(ji)本方程(cheng)，即滿足(zú)流體運(yùn)動的質(zhì)量守恒(heng)方程和(he)動量守(shou)恒方程(cheng)。質量守(shou)恒方程(chéng)和動量(liàng)守恒方(fang)法表示(shì)爲：
 
　　式中(zhong):xi，xi爲空間(jian)坐标分(fen)量，ui，uj爲流(liu)體流動(dòng)速度分(fèn)量:p爲靜(jing)壓，pij爲應(ying)力張量(liàng)ƒi爲體積(jī)力分量(liang)。
　　由于流(liu)量計結(jie)構十分(fèn)複雜,氣(qì)流在流(liú)量計内(nèi)部的運(yun)動往往(wǎng)呈現湍(tuān)流狀态(tai)。爲了實(shi)現對湍(tuān)流的模(mó)拟，需要(yào)額外引(yǐn)入湍流(liu)模型。本(ben)文選取(qu)RNGk-ε模型作(zuò)爲湍流(liu)模型，其(qi)湍流動(dong)能h和耗(hao)散率ε的(de)輸運方(fāng)程表示(shi)爲:
 
　　式中(zhong):Gk表示平(píng)均速度(du)梯度所(suo)産生的(de)湍流動(dòng)能.αε，αk分别(bié)表示ε和(he)h的擴散(san)率,C1ε、C2ε爲系(xì)數。
　　由于(yu)氣流運(yun)動與葉(ye)輪旋轉(zhuan)存在相(xiang)互作用(yòng)，需要引(yǐn)入扭矩(ju)模型根(gēn)據力矩(ju)平衡原(yuán)理,葉輪(lun)旋轉的(de)運動方(fāng)程可以(yi)表示爲(wèi):
 
　　式中:J爲(wei)葉輪慣(guàn)性力矩(ju)，單位爲(wèi)kg·m2;dɷ/dt爲葉輪(lún)角加速(sù)度，單位(wei)爲rad/s2;M1爲流(liú)體對葉(yè)輪驅動(dong)力矩;M2爲(wèi)軸承摩(mo)擦阻力(li)矩，單位(wei)爲N·m;M3爲黏(nian)性阻力(lì)矩，單位(wei)爲N·m;M4爲磁(ci)阻力矩(jǔ)，單位爲(wei)N·m;t爲時間(jian)，單位爲(wei)s。
　　采用Fluent軟(ruan)件求解(jie)流量計(jì)内部氣(qi)流的運(yun)動方程(cheng)。爲了消(xiao)除管道(dào)進口段(duan)效應對(dui)模拟結(jie)果的影(ying)響，在流(liu)量計的(de)進出口(kǒu)均增加(jiā)了10D的直(zhi)管段(D爲(wei)機芯直(zhi)徑)。由于(yu)給定了(le)流體的(de)體積流(liu)量,進口(kǒu)采用速(su)度進口(kǒu)邊界條(tiáo)件,進口(kǒu)平均速(sù)度通過(guò)u=Qv/A确定,方(fang)向與進(jin)口直管(guǎn)段截面(miàn)垂直;出(chu)口爲大(da)氣壓，壁(bì)面采用(yòng)無滑移(yí)邊界。爲(wei)了求解(jiě)葉輪旋(xuan)轉運動(dong)方程，把(ba)整個計(ji)算區域(yù)分解爲(wei)靜區域(yù)和葉輪(lún)旋轉的(de)動區域(yu)，動區域(yù)和靜區(qū)域之間(jiān)采用多(duō)重參考(kǎo)模型(MRF)耦(ou)合葉輪(lún)采用滑(huá)移邊界(jie)條件，與(yu)旋轉區(qū)域具有(you)相同的(de)轉速。葉(yè)輪旋轉(zhuan)區域與(yu)前後靜(jìng)區域之(zhi)間的表(biao)面定義(yi)爲interface邊界(jiè),便于與(yu)其他流(liú)域進行(hang)信息交(jiao)換。
2.2測試(shi)方法
　　測(ce)試采用(yong)标準表(biao)法氣體(ti)流量标(biao)準裝置(zhì)。實驗裝(zhuāng)置主要(yào)由羅茨(cí)流量計(jì)、氣體渦(wō)輪流量(liang)計、穩壓(yā)氣罐、氣(qì)動閥門(mén)、氣泵和(hé)控制系(xi)統等組(zu)成，如圖(tú)2所示。實(shi)驗通過(guo)遠程操(cao)作PLC設備(bei)，調節氣(qi)動閥門(mén)的開度(du),實現對(dui)氣體體(ti)積流量(liang)的控制(zhi)。羅茨流(liú)量計作(zuò)爲标準(zhun)表,其工(gōng)作量程(chéng)爲0~250m3/h,流量(liàng)控制精(jing)度爲0.5級(jí)。氣體渦(wō)輪流量(liàng)計作爲(wei)待測流(liú)量計，其(qi)測量精(jing)度等級(jí)爲1級，工(gōng)作量程(cheng)爲13m3/h~250m3/h,量程(cheng)比爲20:1。差(chà)壓計的(de)兩個.測(cè)壓口分(fen)别安裝(zhuang)在待測(cè)流量計(ji)的前後(hou)直管段(duàn)3D處，其量(liang)程範圍(wéi)爲土3000Pa.測(cè)量精度(du)等級爲(wei)1級。氣泵(bèng)與氣動(dong)閥門相(xiàng)連，能夠(gòu)産生相(xiàng)對穩定(dìng)的負壓(yā)。根據國(guó)家計量(liang)檢定标(biāo)準，氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計需(xū)檢定13m3/h、50m3/h、100m3/h和(hé)250m3/h等特征(zhēng)流量點(dian)。每個流(liu)量點進(jin)行多次(ci)測量,實(shi)驗結果(guǒ)得到标(biao)準表和(he)被測流(liu)量計的(de)壓力損(sǔn)失、脈沖(chong)數、體積(ji)流量以(yǐ)及單流(liú)量點的(de)測量時(shí)間，數據(ju)處理後(hòu)得到儀(yi)表系數(shù)和最大(da)示值誤(wu)差等指(zhǐ)标，進而(ér)評估氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)的計量(liàng)性能。
 
3結(jié)果分析(xī)與讨論(lùn)
3.1方法驗(yàn)證
　　根據(jù)氣體渦(wo)輪流量(liàng)計的結(jie)構設計(jì)圖紙，運(yun)用SolidWorks軟件(jian)對各部(bù)分零件(jiàn)進行組(zǔ)裝建模(mó)，将建好(hǎo)的模型(xing)導入ANSYSWorkBench進(jìn)行網格(ge)劃分。采(cǎi)用分塊(kuài)化方法(fa)劃分網(wang)格，直管(guǎn)段采用(yong)結構化(hua)網格;由(yóu)于葉輪(lún)和後導(dǎo)流體的(de)結構更(geng)爲複雜(zá),采用非(fei)結構混(hun)合網格(ge)，并對其(qi)進行細(xi)化處理(lǐ)，最後進(jìn)行網格(gé)無關性(xìng)驗證，如(rú)圖3所示(shi)。當網格(ge)數量爲(wèi)580萬與670萬(wàn)時,兩者(zhě)的壓力(lì)損失相(xiàng)差僅爲(wei)21Pa，故本文(wén)選取580萬(wàn)網格數(shu)量進行(háng)後面的(de)數值模(mo)拟研究(jiū)。
 
　　爲了驗(yàn)證模拟(ni)方法的(de)可靠性(xing),本文比(bǐ)較了氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)在13m3/h~250m3/h範圍(wéi)内11個流(liú)量點的(de)壓力損(sǔn)失,這些(xie)流量點(diǎn)包含了(le)國家計(ji)量檢定(dìng)标準的(de)4個特征(zheng)流量點(dian),符合實(shi)際的流(liu)量檢測(cè)要求。由(yóu)圖4可知(zhi):在全量(liàng)程範圍(wéi)内，流量(liang)計壓力(li)損失的(de)模拟結(jié)果與實(shi)驗結果(guǒ)十分吻(wěn)合,誤差(cha)僅在0~6%範(fàn)圍内波(bō)動,證實(shi)了所采(cǎi)用的數(shu)值模拟(ni)方法和(he)實驗測(ce)試方法(fa)的可靠(kào)性和準(zhun)确性,爲(wèi)後面流(liú)量計的(de)結構改(gǎi)進和性(xing)能優化(hua)奠定了(le)基礎。
 
3.2流(liu)量計内(nèi)部特征(zhēng)分析
　　爲(wèi)了獲得(dé)氣體渦(wo)輪流量(liàng)計結構(gòu)改進思(si)路，首先(xian)對優化(hua)前流量(liang)計内部(bu)流場進(jin)行數值(zhi)模拟。通(tong)過在葉(yè)輪旋轉(zhuǎn)中心截(jie)取水平(ping)剖面，得(dé)到流場(chang)的壓力(lì)場和速(su)度場雲(yún)圖。本文(wen)選取流(liu)量點50m3/h、250m3/h作(zuò)爲分析(xī)對象,對(dui)流量計(ji)内部的(de)流場特(tè)征進行(háng)定量研(yán)究。
　　由圖(tú)5(a)可知:當(dang)流量爲(wei)50m3/h時，流量(liàng)計進出(chu)口的總(zǒng)壓力損(sun)失約爲(wei)71.4Pa。由于受(shòu)到前整(zheng)流器和(hé)前導流(liú)體的阻(zu)擋作用(yong)，前導流(liú)體迎風(feng)面壓力(li)梯度與(yǔ)流動方(fāng)向相反(fǎn),邊界層(céng)發生分(fen)離現象(xiàng),造成能(neng)量損失(shi)。在表芯(xīn)支座側(ce)面,壓力(lì)從35.7Pa急劇(ju)減至13.2Pa;在(zài)近壁面(miàn)處出現(xiàn)了負壓(yā)區，導緻(zhì)氣流運(yun)動紊亂(luan)。流量計(jì)的出口(kou)處出現(xian)了明顯(xian)的負壓(ya)區，最大(da)負壓值(zhí)約爲-14.5Pa,此(cǐ)處壓力(lì)梯度與(yu)流體流(liú)動方向(xiàng)相反，且(qie)等壓線(xiàn)分布混(hun)亂，流場(chang)壓力分(fen)布非常(cháng)不均勻(yun),大大增(zēng)加了流(liú)動的能(neng)量損失(shi)。
 
　　由圖5(b)可(ke)知:流體(tǐ)經過表(biǎo)芯支座(zuò)時，流道(dao)截面突(tū)縮，流體(ti)速度從(cong)2.95m/s迅速增(zeng)至7.9m/s。由于(yu)表芯支(zhi)座結構(gòu)的特殊(shū)性,經過(guò)的流體(ti)無法以(yi)垂直角(jiao)度沖擊(ji)葉輪,使(shi)得用葉(yè)輪轉速(sù)計算得(dé)到的流(liu)量與實(shí)際流量(liàng)存在較(jiao)大偏差(cha)，降低了(le)流量計(ji)的精度(dù)。流體流(liú)出葉輪(lun)後,由于(yu)後導流(liú)體直徑(jìng)大于葉(ye)輪輪毂(gū)直徑，流(liú)道截面(mian)繼續縮(suō)小,氣流(liu)速度繼(jì)續增加(jiā)。後導流(liu)體出口(kou)處速度(du)梯度大(dà)，當流體(tǐ)有旋運(yùn)動與壁(bì)面分離(lí)時，出現(xian)了明顯(xian)的回流(liu)現象和(he)尾迹區(qū)域。受流(liú)體粘性(xìng)的影響(xiǎng)，尾迹中(zhōng)旋渦的(de)動能逐(zhu)漸轉換(huàn)成熱能(néng)進一步(bu)耗散,增(zeng)加了能(neng)量損失(shi)。
　　圖5(c,d)表示(shì)流量爲(wei)250m3/h時流量(liàng)計内部(bù)流體的(de)壓力雲(yún)圖和速(su)度雲圖(tú)。随着流(liu)量的增(zeng)加,流量(liang)計内部(bu)流體的(de)湍流性(xìng)質更加(jia)明顯。流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失明顯(xian)增加,壓(yā)力損失(shi)約爲1390.5Pa。此(ci)時,表芯(xīn)支座處(chù)的壓力(lì)梯度變(bian)化更加(jia)明顯;後(hòu)導流體(tǐ)下遊區(qu)域的流(liu)場更加(jia)紊亂，回(hui)流現象(xiàng)加劇，尾(wei)迹範圍(wei)明顯擴(kuò)大。
　　上述(shù)模拟結(jié)果給予(yǔ)我們重(zhong)要提示(shì):表芯支(zhi)座和後(hòu)導流體(ti)的結構(gou)對流量(liàng)計性能(neng)的影響(xiang)非常明(ming)顯，可以(yǐ)通過改(gai)進表芯(xin)支座和(he)後導流(liú)體的結(jié)構達到(dào)提高流(liu).量計性(xing)能的目(mù)的。在表(biǎo)芯支座(zuò)的優化(hua)中，可以(yǐ)從減少(shao)側面區(qu)域壓力(lì)梯度驟(zhou)變的角(jiao)度考慮(lü)。在後導(dǎo)流體的(de)優化中(zhong),可以從(cong)穩定流(liú)場、減弱(ruo)回流，縮(suo)小負壓(yā)區和尾(wěi)迹範圍(wéi)的方向(xiàng)思考。
3.3流(liu)量計結(jie)構改進(jin)方案
　　基(jī)于流量(liang)計流場(chang)特征的(de)分析,将(jiāng)原來的(de)表芯支(zhī)座和後(hou)導流體(tǐ)結構進(jin)行改進(jìn)設計。首(shǒu)先，表芯(xīn)支座迎(yíng)風面一(yi)側的直(zhí)徑從64mm縮(suō)減至50mm,如(rú)圖6(a-b)所示(shi),運用所(suo)形成的(de)18.5°坡度來(lai)減緩流(liu)體的壓(yā)力梯度(dù)變化，從(cong)而減少(shao)流量計(jì)的壓力(li)損失。其(qi)次.對後(hou)導流體(ti)的直徑(jing)進行縮(suō)減，如圖(tú)6(d)~圖6(e)所示(shi)，直徑從(cóng)原來的(de)66mm減至62mm,以(yǐ)減小對(dui)流出葉(ye)輪流體(tǐ)的阻礙(ai)。最後,運(yùn)用3D打印(yin)技術，制(zhì)作優化(hua)後的表(biǎo)芯支座(zuò)和後導(dao)流體模(mo)型成品(pin)，如圖6(c)、圖(tú)6(f)所示。
 
3.4流(liu)量計性(xìng)能指标(biāo)評價
　　爲(wei)驗證改(gǎi)進方案(an)的可行(hang)性，對改(gǎi)進模型(xíng)進行仿(páng)真，從流(liú)場的角(jiǎo)度分析(xi)其優化(huà)效果。流(liú)量點同(tong)樣選取(qǔ)50m3/h、250m3/h作爲分(fen)析對象(xiàng)，流量計(ji)内部流(liu)場特征(zheng)如圖7所(suo)示。從結(jie)構整體(tǐ)優化的(de)模拟結(jie)果可以(yǐ)看出:由(you)于改變(biàn)了表芯(xin)支座的(de)坡度使(shǐ)得氣流(liu)更加平(píng)緩，其迎(yíng)風面高(gao)壓區減(jian)小，側面(mian)的負壓(yā)區消失(shi),壓力梯(ti)度驟變(biàn)的情況(kuang)得到緩(huan)解;後導(dao)流體下(xià)遊區域(yù)流場紊(wen)亂的現(xian)象也得(de)到明顯(xiǎn)改善，壓(ya)力分布(bu)變得更(geng)均勻;尾(wei)迹區域(yu)的面積(jī)減小,尾(wěi)迹耗散(san)引起的(de)能量降(jiàng)低;流量(liang)計出口(kǒu)處的壓(yā)力梯度(dù)變化更(gèng)均勻,後(hou)導流體(ti)的導流(liu)效果明(míng)顯提升(shēng);總壓，力(lì)損失明(míng)顯降低(di),在50m3/h流量(liàng)點降低(dī)了約46.2%,在(zai)250m3/h流量點(diǎn)降低了(le)約45.8%。
 
　　爲進(jìn)一步驗(yàn)證結構(gòu)改進效(xiao)果，用優(yōu)化後的(de)表芯支(zhī)座和後(hòu)導流體(tǐ)成品模(mo)型代替(tì)原模型(xing)中的表(biǎo)芯支座(zuò)和後導(dǎo)流體結(jié)構，安裝(zhuāng)進氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計進(jìn)行實驗(yàn)測試。根(gēn)據《渦輪(lun)流量計(ji)檢定規(gui)章》,通過(guò)重複實(shí)驗獲得(de)多組實(shi)驗數據(ju),數據處(chù)理後得(de)到流量(liang)計的壓(yā)，力損失(shi)、儀表系(xi)數、最大(dà)示值誤(wu)差等性(xìng)能指标(biāo)，進而評(píng)價流量(liàng)計的結(jié)構優化(hua)效果及(jí)其計量(liàng)性能。表(biǎo)1所示爲(wèi)實驗測(ce)試的數(shù)據處理(li)結果。
 
　　首(shǒu)先,對結(jié)構優化(huà)前後流(liú)量計壓(ya)力損失(shī)的實驗(yàn)結果進(jìn)行分析(xi)。圖8表示(shi)原模型(xing)、優化表(biǎo)芯支座(zuò)模型、優(yōu)化後導(dao)流體模(mo)型，以及(ji)整體優(yōu)化模型(xing)的壓力(li)損失随(sui)着流量(liang)變化的(de)規律。随(sui)着流量(liàng)的增大(dà)，所有流(liú)量計模(mó)型的壓(ya)力損失(shi)均呈明(míng)顯增大(da)趨勢。兩(liǎng)個結構(gou)優化方(fāng)案均對(duì)壓力損(sǔn)失的降(jiang)低起到(dao)了作用(yòng)，當流量(liang)爲250m3/h時，整(zhěng)體優化(hua)模型将(jiāng)壓力損(sǔn)失降低(dī)至.749.8Pa,降低(di)幅度約(yuē)42.6%,有效地(dì)減少流(liu)量計在(zai)使用過(guo)程的能(néng)耗，提高(gāo)了流量(liang)計的性(xìng)能。
　　根據(jù)實驗測(ce)試數據(jù),運用式(shi)(2)、式(3)，計算(suan)得到了(le)流量計(ji)的儀表(biǎo)系數K。圖(tú)9所示爲(wèi)結構優(yōu)化前後(hòu)流量計(jì)儀表系(xi)數随着(zhe)流量的(de)變化規(gui)律。在小(xiao)流量情(qing)況下(0~50m3/h),儀(yi)表系數(shu)起伏很(hen)明顯,這(zhe)主要由(you)于流量(liang)計受葉(ye)輪慣性(xìng)力、流體(ti)阻力以(yǐ)及機械(xiè)阻力等(děng)因素的(de)影響而(ér)造成;相(xiang)對而言(yan)整體優(you)化模型(xing)的儀表(biao)系數較(jiao)好。在大(da)流量情(qíng)況下(50m3/h~250m3/h)，四(sì)個模型(xíng)的儀表(biǎo)系數都(dōu)較爲平(ping)整;相對(duì)于原模(mó)型,三種(zhong)優化模(mó)型的儀(yí)表系數(shù)都更趨(qū)于恒定(ding),這表明(ming)優化表(biao)芯支座(zuò)和後導(dǎo)流體結(jie)構可以(yi)提高流(liú)量計測(ce)量的精(jīng)度。
　　爲了(le)定量表(biǎo)征儀表(biǎo)系數的(de)穩定性(xìng)，根據式(shì)(4)，文章計(jì)算得到(dào)了流量(liàng)計的最(zui)大示值(zhi)誤差。由(you)表1可知(zhi):優化後(hou)導流體(ti)後流量(liàng)計的最(zui)大示值(zhí)誤差降(jiang)至0.242%，降低(dī)了約17.7%。優(yōu)化表芯(xīn)支座不(bú)能明顯(xiǎn)降低流(liú)量計的(de)最大示(shi)值誤差(chà)，其線性(xìng)度誤差(cha)約爲0.283%。在(zài)同時優(you)化表芯(xīn)支座和(he)後導流(liú)體的情(qing)況下，最(zui)大示值(zhi)誤差明(ming)顯減小(xiǎo)，降幅約(yuē)爲22.45%。這表(biao)明本文(wen)所提出(chū)的優化(huà)方案可(ke)以明顯(xian)提升流(liú)量計儀(yi)表系數(shu)的穩定(ding)性。
 
結論(lùn)
　　采用CFD數(shù)值模拟(nǐ)方法，氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)内部的(de)流場特(tè)征，進而(er)提出了(le)關于流(liú)量計表(biǎo)芯支座(zuo)和後導(dao)流體的(de)結構優(yōu)化方案(an)。基于标(biāo)準表法(fa)實驗測(ce)試技術(shu)，比較分(fen)析了結(jié)構優化(hua)前後流(liu)量計的(de)壓力損(sǔn)失、儀表(biǎo)系數以(yǐ)及線性(xing)度誤差(cha)等性能(neng)指标。研(yan)究結果(guǒ)如下:
①數(shu)值結果(guo)表明:表(biao)芯支座(zuo)側面的(de)壓力梯(ti)度驟變(bian)和後導(dǎo)流體尾(wěi)部的回(huí)流和尾(wei)流特征(zhēng)是影響(xiang)氣體渦(wō)輪流量(liàng)計性能(neng)的主要(yào)因素。
②實(shi)驗結果(guǒ)表明:對(dui)表芯支(zhi)座和後(hou)導流體(ti)結構單(dān)獨優化(huà)後，氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失分别(bié)降低約(yuē)24.2%和17.8%、最大(dà)示值誤(wu)差分别(bié)降低約(yuē)17.7%和3.7%。
③對表(biǎo)芯支座(zuo)和後導(dao)流體整(zheng)體優化(hua)後,氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計的(de)性能得(de)到了進(jin)一步提(ti)高，總的(de)壓力損(sǔn)失降低(dī)約43.61%,總的(de)最大示(shì)值誤差(cha)減小約(yuē)22.45%

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