在(zài)天然氣的采集、處(chù)理、儲存、運輸和分(fèn)配過程中，需✨要數(shù)以百萬✨計的流量(liang)計，它既是天然氣(qi)供需雙方貿易結(jié)算的依據，也是生(shēng)📐産部門用氣效率(lü)的主要技術指♌标(biāo)，因此對流量計測(cè)量準确度和可靠(kao)性有很高的要求(qiú)。 氣體渦輪流量計(ji) 屬于速度式流量(liang)計，是應用于燃氣(qì)貿易計量的三大(da)流量儀表之一。由(you)于具有重複性好(hao)、量程範圍寬🔆、适應(ying)性強、精度⁉️高、對流(liu)量變化反應靈敏(min)、輸出脈沖信号、複(fu)🐕現性好和體積小(xiǎo)等特點，氣體渦輪(lún)流量計近年來已(yi)在石油、化工和天(tian)然氣等領域獲得(de)廣泛的應用。
   随着(zhe) 渦輪流量計 在管(guan)道計量領域的廣(guang)泛使用，天然氣管(guǎn)道輸送過🍉程中的(de)能耗成爲不容忽(hu)視的問題，而天然(rán)氣管道🌈輸送🌈過程(chéng)中的壓力損失🔴是(shi)産生能源消耗的(de)主要原因之😍一。爲(wèi)保證天然氣能順(shùn)利輸送♊至用戶端(duān)，就需要提高各壓(ya)氣站的輸送壓力(lì)并盡量🔅減少管道(dao)輸送過程中的壓(yā)力損失🤩，而各級管(guan)道🌐上的計量流量(liang)計所造成的壓力(lì)損失占有很大比(bi)重。因此🍉，氣體渦輪(lun)流量計的壓力損(sǔn)失研究對節能減(jiǎn)排和推動我🔆國燃(rán)氣計量儀表🔱産業(ye)的發展具有較好(hao)的推動作用。
   近年(nián)來，越來越多的學(xue)者采用數值模拟(ni)仿真方法📱對渦🍓輪(lun)流量計進行研究(jiu)，如XU、LIU、 等學者均通過(guo)數值計🥰算形式模(mo)拟流⛷️量計内部流(liú)動，并與實驗比較(jiao)驗證了模拟結果(guo)的正确性。應用S－A、标(biao)🍓準k－ε、RNGk－ε、Realizable　k－ε和标準k－ω這5種湍(tuān)流🈚模型對渦輪流(liu)量計進行三維數(shù)值模拟♊，并将應用(yong)各湍流模型🌏得出(chū)的仿真儀表系數(shù)與實流标定值進(jin)行對比和分析，這(zhe)對數值模拟計算(suàn)選取湍💔流模型給(gei)出了一定參考。
   目(mu)前，渦輪流量計的(de)優化主要通過改(gǎi)良其導流件、葉🧑🏽‍🤝‍🧑🏻輪(lun)、軸承、非💛磁電信号(hào)檢出器等部件的(de)結構尺寸和加♉工(gong)工藝，來改善🐪流量(liàng)計測量氣體、高粘(zhān)度流體和小流量(liàng)時的特性。對降低(di)渦輪流量傳感器(qì)粘度變化敏感度(dù)進行了研究。SUN等采(cǎi)用了Standard　k－ε湍流模型數(shu)值模拟口徑爲🏃🏻15mm的(de)渦輪流量計的内(nèi)部流動，結果表明(míng)壓力損失受到前(qian)端和後端形狀、導(dǎo)流體半徑、導流體(ti)的導流💰片和渦輪(lun)葉片厚度的影響(xiǎng).雖然對氣體渦輪(lún)流量計的流動進(jin)行實驗測量和數(shù)值計算，發現前導(dǎo)流器的結構變化(hua)對後面各部件内(nei)的氣體流動速度(du)梯度和壓力恢🌈複(fú)也有明顯影響，使(shi)總壓力損失進一(yī)步放大或減小，但(dan)對流量計的其它(tā)部件未進行分析(xi)。本文将對一種⭐型(xing)号氣體渦輪流量(liang)計各部件的壓力(lì)損失與流量的關(guān)系進行分析研究(jiū)，以提出其優化思(si)路。
1 渦輪流量計的(de)基本結構及工作(zuo)原理
   本文采用80mm口(kǒu)徑氣體渦輪流量(liàng)計作爲研究對象(xiang)，對其進行内部流(liú)道的壓力損失數(shu)值模拟。
   氣體渦輪(lún)流量計結構示意(yi)圖如圖1。氣體渦輪(lún)流量計實物如圖(tu)🙇🏻2，其中圖2（a）爲渦輪流(liu)量計實物圖，圖2（b）爲(wèi)渦輪流量計機芯(xīn)🔅葉輪實物🐇圖。


   氣體(ti)渦輪流量計的原(yuan)理是，氣體流過流(liú)量計推動渦🈲輪葉(yè)片旋轉，利用置于(yu)流體中的葉輪的(de)旋轉角😄速度與流(liu)體流速成比例🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)關系，通過測量葉(yè)輪轉速來得到流(liu)體流速，進而得到(dào)管道内的流量值(zhi)。渦輪流量計輸出(chū)的脈沖頻率f與所(suo)測體積流量qv成正(zheng)比，即

式（1）中：k—流量計(jì)的儀表系數。
根據(jù)運動定律可以寫(xie)出葉輪的運動方(fang)程爲

式（2）中：J—葉輪的(de)轉動慣量；t—時間；ω—葉(ye)輪的轉速；Tr—推動力(li)矩；Trm—機械摩擦🏃🏻‍♂️阻力(li)矩；Trf—流動阻力矩；Tre—電(diàn)磁阻力矩。
2 計算模(mo)型
2.1 數學模型
   設定(dìng)渦輪流量計數值(zhí)模拟的工作介質(zhi)爲空氣，流動♉處于(yú)湍流流動，數值模(mó)拟湍流模型采用(yòng)Realizable K－ε模型，該模型适用(yòng)于模拟計算旋㊙️轉(zhuǎn)流動、強逆壓梯度(dù)的邊👉界層流🌈動、流(liu)動分離和二次流(liú)♻️等，其模型方程表(biǎo)示✨爲：
——各向流速平(píng)均值；a—聲速；μ—動力粘(zhān)性系數；υ—運動粘性(xìng)系⚽數；K—湍流動能；ε—湍(tuān)流耗散率；βT—膨脹系(xì)數；ωk—角速度； —時均轉(zhuan)動速率張量；如不(bú)考慮浮力影響Gb＝0，如(ru)流動不可壓縮， ＝0，YM＝0。
2.2 流(liú)體區域網格劃分(fèn)
   使用Solidworks三維設計軟(ruǎn)件依照實物尺寸(cun)對渦輪流量計✏️各(gè)🆚部件進行建模及(ji)組裝，簡化主軸、取(qǔ)壓孔和加油孔等(deng)對流體區域影響(xiang)較小的部分。
   先對(duì)機芯部分做布爾(er)運算得到純流體(ti)區域，然後對葉輪(lun)外加包絡體形成(cheng)旋轉區域，在機芯(xīn)進出口前後均加(jiā)上15倍機芯💃口徑的(de)直管段，以保證進(jin)出口流動爲🌈充分(fèn)發展湍流。
   全部流(liu)體區域包括前後(hòu)直管段、葉輪包絡(luò)體以及機🔅芯部分(fèn)的流體區域。用Gambit軟(ruǎn)件對三維模型進(jin)行網格劃分，對流(liú)體區域中的⁉️小面(miàn)和尖角等難以生(sheng)成網格的部分進(jìn)行優化和簡化處(chu)理，流體區域使用(yong)非結構化混合網(wǎng)格，并對機芯流道(dao)内葉輪等流動情(qing)況較複雜區域進(jìn)行了🐉局部加密，如(rú)💋圖3。其中圖3（a）爲❄️機芯(xīn)流體區域網格圖(tú)，圖3（b）爲葉輪網格圖(tú)，整體網格總數量(liang)約🤟230萬。

2.3 數值模拟仿真條(tiáo)件設置
   數值計算(suan)時，爲方便模拟結(jié)果與實驗結果的(de)對比，環境溫🈲度、濕(shi)度和壓力設置與(yǔ)實驗工況相同，流(liú)體介質選擇🍉空氣(qi)，空氣的密度ρ和動(dòng)力粘度η根據Rasmussen提出(chū)的計算規程拟合(he)推導出的簡化公(gong)式（5）和（6）計算獲得☎️：
式(shi)（5）（6）中：T—溫度；P—壓力；H—濕度(dù)。
   求解器采用分離(li)、隐式、穩态計算方(fang)法，湍流模型選♉擇(ze)Realizable　k－ε湍流模型，壓力插(chā)值選擇Body force weighted格式，湍流(liú)動能、湍流耗散項(xiàng)和動🐪量方程均采(cai)用😍二階迎風格式(shi)離散，壓力與速度(dù)的耦合采用SIMPLEC算法(fǎ)求解，其餘設置均(jun1)采用Fluent默認值。
   計算(suan)區域管道入口采(cǎi)用速度入口邊界(jie)條件，速度方✉️向垂(chuí)直于入口直管段(duàn)截面.出口邊界條(tiáo)件采用壓力出口(kǒu)🈲。葉輪包絡⛱️體設置(zhì)爲動流動區域，其(qí)餘爲靜流動🌈區域(yu)，采用interface邊界條件作(zuo)爲分界面，對于旋(xuán)轉部分和靜止部(bù)分之間的耦合采(cǎi)用多重參考坐标(biāo)🍓模型（MRF）。葉輪采用滑(huá)移邊界條件且相(xiàng)對于附近旋轉流(liu)體區域速度爲零(líng)。葉輪轉速是通過(guo)使用FLUENT軟件中的TurboTopol－ogy與(yǔ)Turbo　Report功能，不斷調整葉(ye)輪轉速，觀察葉輪(lún)轉速是否☀️達🔴到力(lì)矩平衡來确定的(de)。
3 數值模拟結果分(fèn)析
   在流量計流量(liang)範圍内選取了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這(zhe)6個流量點進行同(tóng)工況環💋境數值模(mo)拟，得到氣體渦輪(lún)流量計的内部流(liu)場和壓力分👄布等(deng)數據。進口橫截面(mian)取于前整流器前(qian)10mm處，出口橫截面取(qǔ)🐉于後導流體後10mm處(chù)。計算渦輪🐇流量計(ji)進出口橫截面上(shang)的壓力差，即得到(dao)流量計的壓力損(sǔn)失⛷️。
圖4爲流量與壓(ya)力損失之間的關(guan)系曲線，圖中實驗(yàn)值是在工況條件(jiàn)下使用音速噴嘴(zui)法氣體流量标準(zhǔn)裝🧡置測得。

   根據圖(tú)4中壓力損失随流(liú)量的變化趨勢，可(ke)以将流🆚量與壓力(lì)損失之間的關系(xi)拟合曲線爲二次(ci)多項🈲式，其表達式(shi)爲

   這與流量計的(de)壓力損失計算公(gōng)式（8）趨勢相符，均爲(wei)二🈲次函數，且💃數值(zhi)模拟結果與實驗(yan)結果吻合得較好(hǎo)，說⛱️明渦輪流量計(jì)的内部流場數值(zhi)模拟方法及結果(guo)是可行且可靠的(de)。流量計㊙️的壓力損(sǔn)失計算公式爲

式(shì)（8）中：ΔP—壓力損失；α—壓力(lì)損失系數；υ—管道平(ping)均流速。
   以流量Q＝250m3/h的(de)數值模拟計算結(jie)果爲例進行渦輪(lun)流量計内部流場(chǎng)及壓力場的分析(xi).圖5爲渦輪流量計(ji)軸向剖面靜壓分(fèn)布圖.前導流器前(qian)後的壓力場分布(bù)較均勻且壓力📱梯(tī)度較小，在機芯殼(ké)體與葉輪支座連(lián)接凸台處壓力有(yǒu)💚所增加，連接面後(hòu)壓✂️力又逐漸減小(xiao).故認爲流體流經(jing)葉輪支座産生壓(ya)力損失的💯主要原(yuán)因是連😍接處存在(zai)凸台，導緻流場出(chu)現較大變化，不能(neng)平滑過渡，建議将(jiāng)葉輪支座與機芯(xīn)殼體的連接改爲(wei)圓弧線型或流線(xiàn)型。
   觀察圖5和圖6，當(dāng)流體流經葉輪從(cong)後導流器流出渦(wo)輪流🌈量計時，壓力(lì)梯度變化明顯，存(cún)在負壓區域并造(zao)成很大的壓降，在(zài)後導流器凸台及(ji)流量計出口處速(su)度變化明顯，由于(yú)氣流通過後導流(liu)器後流道🍓突擴，在(zài)後導流器背🔞面形(xing)成明顯的低速渦(wō)區，産生了漩渦二(èr)次流。

   結合圖7、圖8流(liú)量計軸向剖面和(hé)出口橫截面的總(zong)壓及速度分布圖(tú)，其速度分布與壓(ya)力分布相似，流量(liàng)計流道内速度☂️分(fèn)布🌏較均勻的區域(yu)其壓力梯度變化(hua)也較小，即流🈲道内(nei)速度的分布和變(biàn)化與壓力損✊失大(da)小相關。由流量計(jì)軸向剖面和出口(kǒu)橫截面的速度及(ji)壓力🤩分布圖可以(yi)看出，流量計🔞後導(dǎo)流器處💯産生的漩(xuan)渦☁️二❌次流影響了(le)出口橫截面處的(de)速度💚及壓力分布(bu)


   流量計各部件的(de)壓力損失随流量(liang)變化的趨勢與💯流(liu)量計總壓力損失(shī)随流量的變化趨(qu)勢相同，其拟合公(gōng)💯式爲系數不同的(de)二次多項式。各部(bu)件的壓力損失與(yu)流量呈二次函數(shu)關系🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，随着流🌈量的(de)增加，壓力損失顯(xian)著增加。

   觀察圖10各(ge)部件壓力損失百(bai)分比圖，可見前整(zheng)流器、前導流☎️器和(he)機芯殼體處的壓(yā)力損失很小，葉輪(lun)支座處壓力損失(shī)約占總壓力損失(shī)的1/4。前整流器所占(zhàn)壓力損失比例在(zai)各流💞量點基本保(bǎo)持✂️不變，前導流器(qì)和機芯🛀殼體處的(de)壓力損失随流量(liang)的增加其比例略(lue)有降低，葉輪支座(zuo)處壓力損失随流(liú)量的增加🐆其比例(li)略有增加，但總體(tǐ)上受流量影響不(bu)大。葉輪處的壓力(lì)損失随流量從13m3/h增(zeng)加至250m3/h，其☁️比例從15.88%降(jiang)至8.71%，降幅明顯.後導(dǎo)流器處的壓力損(sun)失占總壓力損失(shī)的大半，随着流量(liang)從13m3/h增加至250m3/h其壓力(lì)損失比例由43.77%升至(zhi)♌55.83%，增幅明顯。總之，後(hou)✏️導流器、葉輪支座(zuo)和葉輪是流體🚶流(liú)經渦輪流量計産(chan)生壓力損失的主(zhǔ)要影響部件，可通(tōng)過優化其結構以(yǐ)降低渦輪流量計(ji)的總壓力損失。

4 結(jié)語
   本文采用Fluent軟件(jian)對一口徑爲80mm的渦(wo)輪流量計内部進(jin)📐行了數值模✍️拟計(jì)算，分析内部流場(chang)、壓力場及各部件(jiàn)産生的壓力損失(shi)🎯，得出以下結論：
1）漩(xuan)渦二次流是産生(sheng)能量消耗的主要(yao)原因，故建議對渦(wo)輪流量計葉輪支(zhī)座及後導流器進(jìn)行幾何參數的優(you)化，将其凸台邊緣(yuan)🈲改爲流線型以減(jian)少。流道突擴的影(ying)響，減少後導流器(qì)葉片厚度并增加(jiā)其長度及數量💃以(yi)減弱氣體螺旋狀(zhuàng)流動，減弱漩渦二(er)次🏃🏻流，達到降低流(liu)量計壓力損失的(de)目的。
2）分析各部件(jian)對壓力損失的影(yǐng)響，其壓力損失與(yu)流量成二♋次函數(shù)關系。後導流器相(xiang)對于其他部件是(shi)壓力❗損失的主要(yào)因素，約占總壓力(li)損失的一半，随着(zhe)流量的增加其壓(ya)力損失占總壓力(li)損失的比例上升(shēng)了12.13%。葉🤩輪支座的壓(yā)力損失約占總壓(ya)🚶力損失的1/4，其壓力(lì)損失㊙️比例随流量(liàng)的增加基本不變(biàn)。随着流㊙️量的增加(jia)葉輪産生的壓力(lì)損失比例降幅明(ming)顯。
通過數值模拟(nǐ)分析得出速度的(de)分布和變化與壓(yā)🏃‍♀️力損失大小相關(guan)，通過優化流量計(ji)流道内的速度分(fen)布可降低流量計(ji)😍的壓力損失，後續(xù)相關的渦輪流量(liang)計優化研究可從(cóng)優化其流道内㊙️速(su)度分布入手。

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