[摘(zhāi)要] 渦(wō)輪流(liú)量計 性能(néng)會随着被測流(liú)體粘度的(de)增大(dà)而變(biàn)差(chà)，爲了降(jiàng)低介質粘度對渦輪性能的影(yǐng)響，采(cǎi)用計(jì)算流(liú)體力(lì)學cfd)仿(páng)真的方法，通過适當(dāng)地增(zēng)大(dà)頂端間(jiān)隙，實現了對液(yè)體渦輪流量計(jì) 參數的定量(liàng)優(yōu)化，并從葉輪尾(wěi)部流場(chǎng)、葉(yè)片表(biǎo)面壓(yā)力場及葉(yè)輪受力(lì)情況等(děng)方面(miàn)分析了不(bú)同的(de)葉輪頂端(duān)問隙(xì)對葉輪性能産生影(yǐng)響的機理。
　　液(yè)體(tǐ)渦輪(lún)流量計具(jù)有測(cè)量精(jīng)度高、量程(chéng)寬、壓損小、輸出(chū)脈沖(chòng)信号、重複性和動态響應(yīng)好等多(duō)種優點(diǎn)。在用于低(dī)粘度液體(tǐ)流量測量(liàng)時，在(zài)相當寬的流量範圍内，其(qí)測量精度可達(dá)0.5%~0.15%，重複性可(kě)達0.1%~0.05%。缺(quē)點在于(yú)儀表系數受(shòu)被測流體(tǐ)粘度(dù)變(biàn)化的影(yǐng)響較(jiào)大。一(yī)般來(lái)說，粘度變(biàn)化對線性(xìng).特性的影(yǐng)響随(suí)着(zhe)流量計(jì)口徑的(de)減小而(ér)增大。目(mù)前(qián)，國.内渦輪流量(liàng)計出(chū)廠時(shí)，一(yī)般都是(shì)用水或粘度比(bǐ)較低的(de)柴(chái)油進(jìn)行檢(jiǎn)定，但(dàn)很多使用者卻(què)用其(qí)來測量液壓油(yóu)、潤滑(huá)油等(děng)中粘(zhān)度甚至高粘度(dù)液體(tǐ)的(de)流量。這(zhè)就迫切要(yào)求提(tí)高渦輪流量計在測量粘性介(jiè)質時的精度。
　　通(tōng)過改變葉輪葉(yè)片頂端間(jiān)隙來(lái)實現渦(wō)輪的優(yōu)化在.以往的文獻口.四(sì)中已有(yǒu)出現，但如(rú)何進行定(dìng)量(liàng)的優化(huà)及改變頂(dǐng)端間(jiān)隙會對(duì)渦輪的性能造成(chéng)多大(dà)的影響等，卻仍(réng)需作進一(yī)步的研究(jiū)。
　　通過對不同葉(yè)輪頂隙的(de)渦輪流量計進(jìn)行計算流體力學cfd)仿真四(sì)，當流(liú)體粘度(dù)爲9.1cst時，渦(wō)輪的線性度誤(wù)差(chà)由0.987%減小至0.014%;當(dāng)流體(tǐ)粘度爲(wèi)31.6est時(shí)，渦輪的線性度(dù)誤差由(yóu)5.568%減小至(zhì)3.693%。
1渦輪流量計cfd仿(páng)真方(fāng)法
1.1三維仿(páng)真模(mó)型(xíng)建立(lì)
　　以(yǐ)dn10渦輪流量傳感(gǎn)器爲例(lì)進行研(yán)究，按照實驗所(suǒ)用(yòng)渦輪流(liú)量傳(chuán)感器(qì)的幾何結(jié)構參數(shù)建(jiàn)立仿(páng)真模(mó)型，如圖1所(suǒ)示。在(zài)渦(wō)輪前後(hòu)分别增加(jiā)10d的直(zhí)管段以模拟實流實驗中的流(liú)動狀态(tài)。

1.2網格劃分(fèn)
　　對模型的(de)網格(gé)劃分(fèn)是仿(páng)真的關鍵。網格(gé)質量直接影響仿真(zhēn)的求解過(guò)程和(hé)結(jié)果(guǒ)，若所(suǒ)劃網(wǎng)格質量太(tài)差，在後續(xù)的仿真過程中會産(chǎn)生很(hěn)多問(wèn)題，減(jiǎn)小收(shōu)斂速度，影(yǐng)響求解結果的(de)準确性。在(zài)既保(bǎo)證網格質量又(yòu)控制網格(gé)數量(liàng)的條件下(xià)，對網(wǎng)格進行如(rú)下的劃分。
　　葉(yè)輪(lún)處結(jié)構較(jiào)爲複雜，所以(yǐ)在(zài)網格劃分(fèn)時采用(yòng)四(sì)面體(tǐ)網格，其intervalsize爲(wèi)0.12。在葉(yè)輪兩側(cè)定義了(le)interface面，以聯接葉輪(lún)轉動區域和其(qí)它靜止區城。網(wǎng)格質(zhì)量指标equisizeskew及(jí)anglesizeskew均小于0.82.
1.3參數設(shè)定
　　選(xuǎn)取(qǔ)sstk-w湍流模(mó)型(xíng)，對(duì)流體特性(xìng)及邊界條件等(děng)都嚴格按(àn)照實流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，并(bìng)采用多參(cān)考(kǎo)坐(zuò)标系的方(fāng)法解決(jué)轉(zhuǎn)動的(de)流體區域流場(chǎng)變化問題。通過(guò)監測葉輪(lún)及輪毂的力矩，并根(gēn)據驅(qū)動力(lì)矩與(yǔ)阻力.矩的差值(zhí)對葉(yè)輪轉速大(dà)小進行調節，當(dāng)力(lì)矩(jǔ)系數cm值達(dá)到10-9時，認爲葉輪(lún)所受力矩(jǔ)達到平衡(héng)，則此時的葉輪(lún)轉速即爲合适(shì)的轉速。.
2葉(yè)輪頂端間隙影(yǐng)響的(de)仿真
2.1頂端間隙影響的理(lǐ)論依據
　　當流體(tǐ)在管道(dào)内部流(liú)動時，渦輪(lún)流(liú)量(liàng)計同(tóng)時(shí)受到驅(qū)動力矩(jǔ)及阻力(lì)矩的(de)作用。其中(zhōng)阻力矩主(zhǔ)要包(bāo)括粘性(xìng)摩擦(cā)阻(zǔ)力矩、機械摩擦(cā)阻力(lì)矩和磁阻(zǔ)力矩等。而在測(cè)量粘性流體時(shí)機械摩擦阻力矩和(hé)磁(cí)阻力矩(jǔ)可以忽略(luè)不計。葉片邊緣與殼(ké)體内壁(bì)之(zhī)間充(chōng)滿了流體(tǐ)，因此(cǐ)這一(yī)形(xíng)式(shì)的摩(mó)擦阻力(lì)實(shí)際上(shàng)是由流體與固(gù)體(tǐ)壁面之間由(yóu)于存(cún)在着(zhe)相對(duì)運動而引起的(de)粘性(xìng)摩擦阻力(lì)。但是由于其間(jiān)隙相當小，因此(cǐ)流體(tǐ)在這一狹(xiá)小間隙中(zhōng)的流(liú)動始終認爲是(shì)處在層(céng)流流動(dòng)狀态，從而可直(zhí)接應用納維埃(āi)一斯(sī)托克斯方(fāng)程對(duì)流場求解(jiě)。

　　式中:t1爲葉片頂(dǐng)端與(yǔ)傳(chuán)感器外(wài)殼内壁之間的(de)粘性摩擦阻力(lì)矩，n·m;r,爲葉片頂端(duān)處半(bàn)徑，m;r。爲流量(liàng)計殼體内壁半(bàn)徑，m;c爲葉片寬，m;ρ爲(wèi)流體密度，kg/m';v爲流(liú)體運動粘度，m2/s;0爲葉輪(lún)旋(xuán)轉角速(sù)度，rad/s。由(1)式可以看(kàn)出，通過減小(xiǎo)r,即(jí)葉片頂端處半(bàn)徑可以(yǐ)減(jiǎn)小粘性摩(mó)擦(cā)阻(zǔ)力矩(jǔ)。
　　雖然葉片(piàn)頂端(duān)間隙的增大可以減(jiǎn)小t1的數值(zhí)，增加葉輪(lún)轉速，降低渦輪(lún)對流(liú)體粘性的敏感(gǎn)程度(dù)，但是(shì)由(yóu)于(yú)随着頂隙的增(zēng)大，漏流(liú)也(yě)增大(dà)，這會(huì)給(gěi)測量的精度(dù)帶來影響(xiǎng)，因此要(yào)兼(jiān)顧兩(liǎng)者以達到平衡。
2.2仿真數據
通常(cháng)采用(yòng)葉片頂端間隙(xì)與管(guǎn)道半徑之(zhī)比(bǐ)δ對(duì)頂(dǐng)端(duān)間隙進行無量(liàng)綱化

　　選擇(zé)了運(yùn)動粘度(dù)分(fèn)别爲(wèi)9.1cst、31.6est的柴(chái)油-機油混(hùn)合液，對不同頂(dǐng)端間(jiān)隙的(de)渦輪(lún)流量計進(jìn)行仿(páng)真，仿(páng)真結(jié)果如(rú)表1所示(shì)。從表中(zhōng)數據(jù)可以看出(chū)，渦輪流量(liàng)計在(zài)測量(liàng)時，一(yī)般在(zài)小流(liú)量點(diǎn)處的儀(yí)表系數(shù)會小(xiǎo)于大流量點處的儀(yí)表(biǎo)系數，這(zhè)是造成(chéng)線(xiàn)性度誤差的(de)原因。對(duì)于相同粘度的(de)流體，在相同(tóng)流(liú)速時，随着(zhe)頂端(duān)間隙(xì)的增(zēng)大,渦(wō)輪流量計的旋(xuán)轉角速度增大(dà)，相應的(de)儀表系(xì)數也增大(dà)。而渦(wō)輪流量(liàng)計(jì)在測(cè)量粘性(xìng)流體時(shí)主要(yào)受影響的(de)是在小流量(liàng)點(diǎn)，頂端間隙(xì)增大(dà)後，渦輪在小流(liú)量點(diǎn)處的儀表系數相對于大(dà)流量(liàng)點得到了更大的提(tí)高,故(gù)減小(xiǎo)了線性度(dù)誤差(chà)。即對于同(tóng)一介質粘度，渦(wō)輪流量計的儀(yí)表系(xì)數受流量(liàng)變化(huà)的影響在(zài)減小。

3頂端間隙影響的機理分(fèn)析
　　通過分析(xī)渦輪流(liú)量傳感器(qì)内部的速度場(chǎng)和壓(yā)力場(chǎng)變化(huà)以及葉(yè)片受力(lì)情況等，可以理(lǐ)解在測量粘性流體時頂端間隙變(biàn)化對流量(liàng)傳感器特性産(chǎn)生影響的(de)流體力學(xué)機理。
3.1速度(dù)場分析
　　圖2爲渦(wō)輪葉(yè)片尾(wěi)部流(liú)體速度矢量圖(tú)，灰色(sè)部分爲(wèi)葉(yè)片。可(kě)以看(kàn)出在(zài)葉片的(de)尾部，流(liú)體出現了流動(dòng)分離。靠近葉輪(lún)的流體，其(qí)速度(dù)可以認(rèn)爲(wèi)與葉(yè)輪的轉速相同(tóng)，葉輪的轉速越(yuè)慢，其尾(wěi)部(bù)的低(dī)流速(sù)區(qū)越(yuè)大(dà)。

　　比(bǐ)較圖(tú)3(a)和圖(tú)3(b)、圖4(a)和(hé)圖4(b)，可以看出當(dāng)流體粘度一定(dìng)時(shí)，流量越大，葉(yè)輪的尾部低流速區越小(xiǎo)。當頂(dǐng)端間隙(xì)由0.2mm增加(jiā):至0.5mm時(shí)，對于相同粘度的流體和(hé)相同(tóng)的流量點(diǎn)，葉輪(lún)尾部(bù)低流速區(qū)變(biàn)小，表明葉輪旋轉(zhuǎn)角速(sù)度增(zēng)大，即儀表(biǎo)系數變大(dà)。但在(zài)小流量點(diǎn)處，低(dī)流速區(qū)的(de)相對變化(huà)較之于大(dà)流(liú)量點處要大(dà)，即小流量點處(chù)葉輪轉速的相對變化比大流(liú)量點(diǎn)處要大，則儀表系數的增(zēng)加值相對也(yě)大(dà)，故渦(wō)輪(lún)的線性(xìng)度誤差(chà)減(jiǎn)小。

3.2壓(yā)力場(chǎng)分析
　　比較(jiào)圖5(a)和圖5(b)、圖6中的(de)圖6(a)和圖6(b)，可(kě)以看(kàn)出，對于相同粘(zhān)度的(de)流體，随着(zhe)流量的增(zēng)大，高(gāo)壓區(qū)的面積變(biàn)大，且(qiě)向葉片的(de)尾部和頂端移(yí)動，緻使(shǐ)葉片所(suǒ)受驅(qū)動(dòng)力矩增(zēng)加，葉輪旋轉角(jiǎo)速度(dù)增大(dà)。對(duì)于相同粘度的流(liú)體在相(xiàng)同的流(liú)量點(diǎn)處，頂端間(jiān)隙由(yóu)0.2mm增大(dà)至0.5mm時(shí)，比較圖5和圖6可以看出，葉(yè)片表(biǎo)面的高壓區面積變大，且向葉片的(de)尾部和頂(dǐng)端移(yí)動，緻使葉輪所受(shòu)驅(qū)動力(lì)矩增(zēng)加(jiā)，而(ér)由圖(tú)7和圖8可以看出葉片尾部的低(dī)壓區(qū)面積(jī)變小(xiǎo)，葉輪旋(xuán)轉的阻(zǔ)力減小(xiǎo)，則旋轉(zhuǎn)的角速度增大(dà)，即儀表系數增(zēng)大。

　　由3)式(shì)可以看(kàn)出，當其它(tā)條件(jiàn)一定時，對于.确(què)定的葉(yè)輪轉速，葉輪(lún)受到的粘(zhān)性阻力矩也(yě)是(shì)一定的。那麽，反(fǎn)過來亦可以通過粘(zhān)性阻力矩(jǔ)來判斷葉(yè)輪轉(zhuǎn)速的大小(xiǎo)。
利用fluent中的report可以(yǐ)得到(dào)渦輪流(liú)量計所(suǒ)受的壓力力矩和粘(zhān)性阻力矩(jǔ)，如表(biǎo)2所示。

　　比(bǐ)較表格中(zhōng)的數(shù)據可以得出，對于具有(yǒu)相同粘(zhān)度的(de)流(liú)體和相(xiàng)同的流量(liàng)點，當(dāng)渦輪(lún)的頂端間隙增大時(shí)，葉輪所受到的(de)粘性(xìng)阻力(lì)矩變小，這(zhè)直接導緻了渦(wō)輪的(de)轉速增大(dà)即儀表(biǎo)系數增(zēng)大。在(zài)小流量點，粘性阻力矩相對減小了16.64%，在大(dà)流量點，粘性阻(zǔ)力矩相對減小了13.79%，這樣(yàng)渦輪轉(zhuǎn)速在小流(liú)量點(diǎn)處相對增加較(jiào)爲顯著(zhe)，故渦輪(lún)的線(xiàn)性度(dù)誤差得到(dào)了(le)降低。
4結(jié)論
　　對(duì)具有(yǒu)不同頂(dǐng)端間(jiān)隙的液(yè)體渦輪(lún)流量計(jì)進行(háng)cfd仿(páng)真分析，當流體粘度爲(wèi)9.lest時，渦(wō)輪的線性(xìng)度誤差由.0.987%減小(xiǎo)至0.014%;當(dāng)流體粘度爲31.6cst時，渦輪(lún)的線性度(dù)誤(wù)差由5.568%減小至3.693%。通過(guò)分析渦輪的内部流(liú)場及(jí)葉輪受力情況(kuàng)，可以(yǐ)得出(chū)以下
結論:
(1)适當(dāng)增大(dà)葉輪的頂(dǐng)端間隙(xì)，流體粘(zhān)度和(hé)流量一(yī)定(dìng)時，葉輪尾(wěi)部低流速區(qū)減小，葉(yè)輪旋(xuán)轉(zhuǎn)角速度增大，即儀表系(xì)數變大(dà)。而小流(liú)量點處的(de)低流(liú)速區相(xiàng)對變化(huà)較之于大流量(liàng)點處要大，即小(xiǎo)流量點(diǎn)處葉(yè)輪轉速(sù)的相(xiàng)對變化比大(dà)流(liú)量點處要(yào)大，則(zé)儀表(biǎo)系數(shù)的增(zēng)加值(zhí)相對(duì)也大，故渦(wō)輪的線性(xìng)度誤(wù)差減小。
(2)對(duì)于相同粘度的流體(tǐ)，在(zài)相同的流量(liàng)點，渦輪的頂端(duān)間隙适當(dāng)增加時，葉(yè)片(piàn)尾部的(de)低壓區面積變(biàn)小，葉(yè)片表(biǎo)面的(de)高壓區向葉片的尾(wěi)部和(hé)頂端(duān)移動且(qiě)面(miàn)積變大，緻(zhì)使葉(yè)輪所(suǒ)受驅動(dòng)力矩增(zēng)加，旋轉的角(jiǎo)速(sù)度增大(dà)，儀(yí)表系(xì)數增大。
(3)對于相同粘(zhān)度(dù)的流體和(hé)相同的(de)流量(liàng)點，葉(yè)輪所受到的粘(zhān)性阻力矩(jǔ)随着葉輪(lún)頂端(duān)間隙(xì)增大而變(biàn)小，則葉輪(lún)的轉(zhuǎn)速增(zēng)大，液體渦(wō)輪流量計系數增大。在小(xiǎo)流量(liàng)點，粘(zhān)性阻力矩(jǔ)相對(duì)減小值較(jiào)大流量點處更爲顯著，即儀表(biǎo)系數相(xiàng)對增加(jiā)值更(gèng)大，故渦輪的(de)線性度(dù)誤差(chà)得到(dào)了降低。

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