0引言
　　氣(qì)體渦(wō)輪流量計 是計量天然(rán)氣、液化(huà)氣、煤氣等介質(zhì)的速(sù)度(dù)式(shì)儀(yí)表[1-2]。爲了改善氣體(tǐ)渦輪流量計的性能(néng)，爲設計提(tí)供(gòng)指導和方向(xiàng)，近年來一些學(xué)者利用cfd技(jì)術對其内部流場進(jìn)行了研究(jiū)。lavanteev等[3]利(lì)用(yòng)fluent對(duì)氣體渦輪(lún)流量(liàng)計内(nèi)部流(liú)場進行數值模(mó)拟，并根(gēn)據仿真(zhēn)結果(guǒ)解釋實驗過(guò)程中的現象(xiàng)。對前(qián)導流器引(yǐn)起的流量(liàng)計壓(yā)力損失進(jìn)行數值計(jì)算和實驗測量，從流動機(jī)理上(shàng)解釋(shì)了結構和壓損(sǔn)之間(jiān)的關系(xì)。lizhifei等[6]利用(yòng)數值模拟得到(dào)了導流器(qì)内部的速度場(chǎng)和(hé)壓(yā)力場，并以(yǐ)減小(xiǎo)壓力損失爲目(mù)标優(yōu)化了導流(liú)器的(de)結構(gòu)。通過(guò)對氣(qì)體渦(wō)輪流(liú)量計進行cfd仿真，研究不同(tóng)流量(liàng)下的壓(yā)損值，并(bìng)通(tōng)過實驗(yàn)證明(míng)了數值模(mó)拟的(de)有效性。對(duì)渦輪(lún)傳感器(qì)内部的(de)速度場(chǎng)和壓力場進行了數值(zhí)仿真，提出對前(qián)後導(dǎo)流器、葉輪(lún)葉片形(xíng)狀和頁頂間(jiān)隙的改進(jìn)。
　　上述研究中未(wèi)涉及針對不同(tóng)螺旋升角(jiǎo)渦輪内流(liú)場(chǎng)的數值(zhí)模拟，以(yǐ)及渦輪(lún)葉片(piàn)螺旋(xuán)升角(jiǎo)的改變對儀(yí)表(biǎo)性能影響的研(yán)究。本(běn)文對安裝(zhuāng)35°和45°葉(yè)片螺旋升(shēng)角渦輪的(de)dn150型氣體渦(wō)輪流量計的内流場進行(háng)數值(zhí)模拟，通過(guò)模拟(nǐ)結果預測(cè)儀表的始動流(liú)量和(hé)壓力損(sǔn)失(shī)，并利(lì)用預測的(de)正确(què)性，爲(wèi)渦輪(lún)葉片(piàn)螺旋升角(jiǎo)的進一步提供(gòng)數值方法(fǎ)。
1數學(xué)模型及邊(biān)界條(tiáo)件
　　利(lì)用fluent軟件對(duì)渦輪内流場進(jìn)行(háng)數(shù)值模拟時(shí)，忽略天然氣的(de)密度變化，在0～1200m3/h内，介質流(liú)動速度(dù)遠遠小于聲速（即(jí)馬赫數遠小(xiǎo)于0.3），認爲流體不(bú)可壓縮，且(qiě)假設流動中(zhōng)無熱量(liàng)交換(huàn)，不(bú)考慮能(néng)量守(shǒu)恒方程。
1.1微(wēi)分控制方(fāng)程(chéng)
　　氣(qì)體渦輪流量計(jì)内部流動爲湍(tuān)流黏性流動，滿(mǎn)足連續(xù)性方程(chéng)和黏性流體運(yùn)動方(fāng)程。
基本微(wēi)分方(fāng)程[9]：
連(lián)續性(xìng)方程：

1.2
　　湍流模型(xíng)選擇由(yóu)于雷諾(nuò)應力項的(de)加入使時均n-s方程不(bú)封閉，爲(wèi)了(le)求解引入(rù)k-ε兩(liǎng)方程湍流(liú)模型。兩方程(chéng)湍流(liú)模型有标(biāo)準k-ε模型，renormalization-group(rng)k-ε模(mó)型，和(hé)可實現的k-ε模型(xíng)。其中(zhōng)，rngk-ε模型主要應用于(yú)旋轉機(jī)械的流動問題，在大範(fàn)圍的湍(tuān)流模(mó)拟中(zhōng)有較(jiào)高的(de)精度。該模(mó)型能夠(gòu)比較準(zhǔn)确地(dì)模拟(nǐ)各種(zhǒng)複雜流(liú)動，其中湍流黏度由下(xià)式确定：

1.3網格劃(huà)分與定解條件(jiàn)
　　根據流量(liàng)計(jì)的(de)實際工況分别(bié)在介質(zhì)入口和(hé)出口(kǒu)處添加10倍(bèi)管徑的直(zhí)管段(duàn)，并把(bǎ)整個模型剖分(fèn)爲3個區域(yù)：入口(kǒu)管道，旋轉(zhuǎn)區，出口管(guǎn)道。旋(xuán)轉(zhuǎn)區(qū)域又細分(fèn)爲渦輪(lún)轉子和(hé)支架定子兩個(gè)區域，定子和轉(zhuǎn)子之(zhī)間的耦合采(cǎi)用多參考mrf(multiplereferenceframe)模(mó)型。利(lì)用gambit前處理(lǐ)模塊對進、出口直管(guǎn)段(duàn)采用結(jié)構化(huà)網格(gé)，而對(duì)旋轉區采用非(fēi)結構(gòu)化網格進(jìn)行劃分以(yǐ)滿足(zú)對葉輪(lún)内(nèi)部複(fú)雜區(qū)域的網格(gé)描述，各塊網格(gé)通過(guò)塊之(zhī)間的(de)交界面拼接在一起(qǐ)。網(wǎng)格總數(shù)爲30多萬個(gè)四面(miàn)體非結構化網(wǎng)格和100多萬個(gè)六(liù)面體結構化網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)區網格(gé)如圖1所(suǒ)示。

　　定解(jiě)條件包括介質(zhì)入口、出口和固(gù)壁邊(biān)界的(de)設置。入口(kǒu)處給定相(xiàng)應流量(liàng)（1200m3/h）下(xià)的主(zhǔ)流速度(dù)值；出口(kǒu)采用壓(yā)力出口邊界條件，出口(kǒu)壓力相對大氣(qì)壓爲(wèi)0；進、出口管(guǎn)道内壁，支(zhī)架均(jun1)取無(wú)滑移固壁(bì)邊界條件。葉輪(lún)部分采(cǎi)用旋轉坐标系，給定相(xiàng)應流(liú)量下的葉(yè)輪轉速，将葉片的吸力面和壓(yā)力面以(yǐ)及輪毂(gū)定義(yì)爲旋轉壁(bì)面條件，在(zài)旋轉(zhuǎn)壁面條件的定義中，按(àn)照mrf的要(yào)求，将旋(xuán)轉壁面(miàn)的旋轉速(sù)度定義爲相(xiàng)對速度(dù)，并且相對周圍(wéi)流體速度(dù)爲0。
2計(jì)算結(jié)果分(fèn)析
2.1壓(yā)力場(chǎng)分析
　　 流量(liàng)計(jì) 全(quán)壓定(dìng)義爲(wèi)入口全壓與出(chū)口全壓之差，通過全壓(yā)分析能(néng)夠直接反映儀(yí)表壓(yā)損(sǔn)的大小(xiǎo)。全壓越大表明流體經過流量(liàng)計後(hòu)産(chǎn)生(shēng)的壓(yā)損越(yuè)大，壓損過(guò)大會導緻流量(liàng)計不能正(zhèng)常使(shǐ)用。進口(kǒu)全(quán)壓一(yī)定時，出(chū)口全壓pout越大(dà)，則流量計(jì)的全(quán)壓△p越小，壓(yā)力損失越(yuè)小。如(rú)圖2（a）和圖(tú)3（a）所示，35°渦輪出(chū)口全(quán)壓要(yào)明顯小于45°渦輪出口處的全壓，這說明相同的(de)工況下45°渦輪所(suǒ)産生(shēng)的壓損較(jiào)小。

　　渦輪(lún)葉(yè)片動壓(yā)的分(fèn)布和大小(xiǎo)直接影(yǐng)響(xiǎng)渦輪驅動(dòng)力矩的大小，35°葉(yè)片所(suǒ)受動(dòng)壓明顯小于45°葉(yè)片所受(shòu)動壓，說(shuō)明在(zài)相同(tóng)工況(kuàng)下45°螺旋升(shēng)角渦輪能獲得(dé)較大(dà)的驅動(dòng)力(lì)矩，如(rú)圖2（b）和圖3（b）所(suǒ)示，與(yǔ)35°渦輪相比(bǐ)，較小的流(liú)量(liàng)就可推(tuī)動渦輪穩定旋(xuán)轉，從而使儀表(biǎo)進入(rù)線性(xìng)工作(zuò)區。由(yóu)此可預測(cè)安裝45°螺旋(xuán)角渦(wō)輪的(de)儀表能獲(huò)得較(jiào)小的始動(dòng)流量。
2.2速度場分(fèn)析
　　當氣(qì)體介質以充分發(fā)展的(de)湍流經過渦輪(lún)時，35°渦(wō)輪的速度(dù)矢量方向(xiàng)變化(huà)較大且(qiě)向壁面(miàn)集中(zhōng)，使得與葉(yè)片(piàn)直(zhí)接作用産(chǎn)生推動力矩的(de)速度(dù)矢量減少(shǎo)，如圖（4a)所示(shì)，且在出口(kǒu)處速度衰(shuāi)減較大，間接說(shuō)明介質(zhì)流經(jīng)渦(wō)輪後(hòu)壓損(sǔn)的增(zēng)加，如圖(tú)4（b）所示。而45°渦輪(lún)内部的速(sù)度矢(shǐ)量分(fèn)布比(bǐ)較均(jun1)勻(yún)，過流(liú)性(xìng)較好(hǎo)，與葉片直(zhí)接作用的(de)速度(dù)矢量(liàng)較多，産生(shēng)較大的驅(qū)動力(lì)矩，如圖(tú)（5a)所示，且(qiě)在出(chū)口處(chù)速度(dù)衰減較小(xiǎo)，如圖(tú)（5b)所示(shì)。



3實驗對(duì)比
　　氣(qì)體渦(wō)輪流量計(jì)的檢定(dìng)采(cǎi)用負壓檢測方法，如(rú)圖6所示，由(yóu)标準吸風裝(zhuāng)置産生(shēng)負壓使标準羅(luó)茨流量計(jì)和被(bèi)檢定的氣體渦(wō)輪流(liú)量計同時測量，安裝(zhuāng)在被(bèi)測儀(yí)表兩端取(qǔ)壓口處的u型管(guǎn)可以測量(liàng)流量(liàng)計進、出口(kǒu)處的(de)壓(yā)力，從而得到(dào)儀表的(de)壓力(lì)損失。
　　利用黃金分(fèn)割法(fǎ)選取0～1200m3/h範圍8個流量點，在每(měi)一個(gè)流量(liàng)點随(suí)機采集3組不同(tóng)時刻(kè)的數(shù)據，包(bāo)括标準羅茨流(liú)量計(jì)和(hé)被(bèi)檢定流量計的累積(jī)流量及(jí)其輸出(chū)脈沖數，對(duì)每組(zǔ)數據進(jìn)行(háng)算術(shù)平均(jun1)得到流量(liàng)點處的平均儀(yí)表系數。通過采(cǎi)集u型管(guǎn)壓(yā)差裝(zhuāng)置的指(zhǐ)示值記錄每個(gè)流(liú)量點(diǎn)處的壓力損失(shī)，檢定結果如表(biǎo)2所示(shì)。

　　利用(yòng)多項(xiàng)式插值對表2中(zhōng)的數(shù)據進行密(mì)化，得到20組(zǔ)插值(zhí)數據，通過(guò)3次b樣(yàng)條拟合得到儀表系(xì)數曲線和(hé)壓力損失曲線(xiàn)。
始動(dòng)流量以儀(yí)表系(xì)數進(jìn)入線性區的最小流(liú)量來确定(dìng)，在小(xiǎo)流量區内安裝45°螺旋升角(jiǎo)渦輪的流量計在流量20m3/h左右即進入(rù)線性工作區；而安裝35°螺旋升角渦輪(lún)的流(liú)量計(jì)則在流量(liàng)150m3/h左右(yòu)時才(cái)進入線性(xìng)工作區(qū)，而且在(zài)線性(xìng)工作區内(nèi)也存在着(zhe)明顯(xiǎn)的波動(dòng)，如圖7所(suǒ)示.

　　35°渦輪流(liú)量計(jì)在各(gè)工況(kuàng)點處的壓(yā)損明(míng)顯大于45°渦輪流量計，最大(dà)壓損達到(dào)3500pa以上，如圖(tú)8所示。上述(shù)分析(xī)表明安裝45°螺旋(xuán)升角(jiǎo)渦(wō)輪的流量計與(yǔ)安裝35°螺(luó)旋升(shēng)角渦輪的(de)流量計(jì)相比具(jù)有較小的(de)始(shǐ)動流量，較小的壓力損失，而(ér)且儀(yí)表計量的線性(xìng)度較好。

4結(jié)論
　　對螺旋(xuán)升角爲(wèi)35°和45°的氣(qì)體渦輪流(liú)量計(jì)旋轉部件内(nèi)流(liú)場進行數值模(mó)拟，分析描(miáo)述其(qí)内部(bù)流動的壓力場和速度場(chǎng)，安裝45°螺旋升角(jiǎo)渦輪的流(liú)量計(jì)比安(ān)裝35°螺旋升(shēng)角渦(wō)輪的流量(liàng)計具有較小的(de)始動流(liú)量(liàng)和壓力損失(shī)。
利用黃(huáng)金分割法(fǎ)選取(qǔ)儀表流量範圍(wéi)内的檢定(dìng)點，通(tōng)過儀表負壓檢定平台(tái)獲得了(le)儀表(biǎo)系(xì)數曲線(xiàn)和壓力(lì)損(sǔn)失曲(qǔ)線，與數值仿真(zhēn)中的預測相吻合，表(biǎo)明數(shù)值模在流量(liàng)計(jì)性能(néng)預測中的有效(xiào)性(xìng)。
　　渦輪葉(yè)片的(de)螺旋(xuán)升角(jiǎo)是影(yǐng)響儀表性(xìng)能的關鍵參數，合理(lǐ)選擇渦輪的葉(yè)片(piàn)螺旋升角，可(kě)進一步改善(shàn)儀表的性(xìng)能(néng)。

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