摘要：根據已有(yǒu)的dn25旋(xuán)進旋渦流量計的(de)結構參(cān)數，設(shè)計了dn20小型(xíng)旋進旋渦流量(liàng)計 ，而後借助ansysfluent流(liú)體仿真對(duì)dn20小型(xíng)旋進旋渦(wō)流量(liàng)計進行了結構(gòu)與流場關系的(de)研究。通過正交(jiāo)試驗，獲得了(le)dn20小(xiǎo)型流量計(jì)不同(tóng)結構的内部流場及其信(xìn)息，分析了流量計工(gōng)作範圍内(nèi)旋渦(wō)規律和流量之(zhī)間的關系；進一(yī)步更換不同測(cè)量橫截面(miàn)，查看(kàn)壓力場(chǎng)及其變(biàn)化規律，與(yǔ)原結(jié)構方(fāng)案(àn)的測量(liàng)截面進行比較，選定最優測量(liàng)截面與測量點，爲dn20流(liú)量計(jì)産品(pǐn)研發提(tí)供(gòng)了理論依(yī)據。
0引言
　　旋(xuán)進旋渦流量計(jì)是根(gēn)據旋渦進(jìn)動現象設(shè)計的(de)一種流(liú)體(tǐ)振蕩(dàng)式流量計，具有(yǒu)流量範(fàn)圍寬、無(wú)可動部件(jiàn)、不易腐蝕、可靠性高(gāo)、安裝使用方便(biàn)、直管(guǎn)段(duàn)要求短(duǎn)等優點，适用于(yú)石油(yóu)、蒸汽、天然(rán)氣、水等(děng)多(duō)種介質的(de)流(liú)量(liàng)測量(liàng)[1]。20世紀70年(nián)代，對旋(xuán)進旋渦流量計(jì)性能(néng)進行了(le)比較全面(miàn)的實驗(yàn)研究，驗(yàn)證了此(cǐ)流量(liàng)計線性輸出特性，同(tóng)時發現此流量計不(bú)易受介質粘度(dù)和密度(dù)影響，指(zhǐ)出旋(xuán)進旋渦流(liú)量計(jì)在(zài)高壓氣(qì)體測量方面的(de)商業(yè)應用(yòng)前景(jǐng)。對旋進旋(xuán)渦流量計做(zuò)了(le)實際(jì)工況(kuàng)下的儀表(biǎo)特征(zhēng)測試，探索(suǒ)該流量計在計(jì)量領域(yù)應用的(de)可行性。
　　對于旋進旋(xuán)渦流(liú)量計(jì)内部流動特性及流量(liàng)計(jì)改進(jìn)方面，科研人員(yuán)也進行了一定(dìng)的探(tàn)索(suǒ)，彭(péng)傑剛(gāng)等人[4]對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)内部(bù)流場進(jìn)行(háng)了數(shù)值模(mó)拟分析，研(yán)究了旋渦流量(liàng)計内部流場的演變情況，分析(xī)了流場(chǎng)幹(gàn)擾對旋進(jìn)旋渦流量(liàng)計流場進動效(xiào)應的(de)影響。何馨雨等人[5]對(duì)旋進旋渦内(nèi)部流場(chǎng)進行了數值模(mó)拟分析，獲(huò)得了(le)比較全面的流(liú)場信息，對(duì)這種(zhǒng)流量計的内部(bù)流動特性有了(le)更加(jiā)深入的理(lǐ)解。

　　目(mù)前，針對旋進旋渦(wō)流量(liàng)計(jì)，特别是小型(xíng)和微型流量計還存在流(liú)量計(jì)低流量(liàng)工況條(tiáo)件下(xià)測量不準(zhǔn)确、過程不穩定(dìng)的問題，開發(fā)小(xiǎo)型流量(liàng)計，相較(jiào)于普(pǔ)通(tōng)流量計需要在結構上做出改進和優(yōu)化。比如，可采用導流片來(lái)降低(dī)壓損，提高流量計的(de)性能。本文(wén)着重考慮對小(xiǎo)型旋(xuán)進旋渦(wō)流量計的起(qǐ)旋角(jiǎo)、收縮角(jiǎo)和收縮(suō)比進行優(yōu)化研究，從而爲(wèi)進一(yī)步開發和定(dìng)型(xíng)小型(xíng)流(liú)量計提(tí)供理(lǐ)論(lùn)上的支持。
1旋(xuán)進(jìn)旋渦流(liú)量(liàng)計工作原理(lǐ)[6]
　　旋進(jìn)旋(xuán)渦(wō)流量(liàng)計 主(zhǔ)要由(yóu)起旋(xuán)器、文丘裏管、消(xiāo)旋器(qì)和檢測傳(chuán)感器組成，其結(jié)構原理如圖1所示。
　　旋進旋渦流(liú)量計是(shì)基于旋渦進動(dòng)現象工(gōng)作(zuò)的。流體(tǐ)流入(rù)旋進旋渦流(liú)量(liàng)計後，首(shǒu)先通過一組(zǔ)由固定螺(luó)旋形葉片組成的起旋器(qì)後被(bèi)強制旋轉，使(shǐ)流(liú)體形(xíng)成旋(xuán)渦，旋(xuán)渦中心(xīn)爲“渦核”是流(liú)體旋轉運(yùn)動速度(dù)很高的區域，其外圍是(shì)環流。流體流經收縮(suō)段時旋渦(wō)加速(sù)，沿流(liú)動方(fāng)向渦(wō)核(hé)與流量(liàng)計的軸線相一緻。當進入擴大(dà)段後，旋渦(wō)急劇(jù)減速，壓力上升(shēng)，中(zhōng)心區域的壓(yā)力比周圍壓力(lì)低，于是産生了(le)局部(bù)回(huí)流；在回(huí)流作(zuò)用(yòng)下(xià)，渦核(hé)開始像剛體一(yī)樣圍繞中心軸在擴(kuò)張段壁面(miàn)做螺旋進(jìn)動。其(qí)進動頻率(lǜ)與流(liú)體的流速(sù)成正(zhèng)比。因(yīn)此，測得旋(xuán)進旋渦的頻率即能(néng)反映流速和體積流量的(de)大小。
2模型(xíng)建立(lì)與計算
2.1仿(páng)真模型的建立
　　根據(jù)現有的實(shí)物模型使用nx建立仿真(zhēn)模(mó)型，根據測繪得出(chū)dn25旋進(jìn)漩渦流量(liàng)計(jì)重要(yào)尺寸：進(jìn)出口直(zhí)徑爲(wèi)25mm，收縮比爲(wèi)1.25，收縮(suō)段夾(jiá)角爲(wèi)12°，起旋器(qì)葉片夾(jiá)角爲(wèi)42°，擴張段夾(jiá)角爲60°，建立(lì)如圖(tú)2所示三(sān)維模型(xíng)。

　　再(zài)根(gēn)據實物參(cān)數建立好(hǎo)的(de)dn25旋(xuán)進旋渦流量計(jì)模型(xíng)的(de)基礎上進行修改，得到(dào)dn20小型旋(xuán)進旋渦(wō)流量(liàng)計模型。dn20旋進旋渦流量計(jì)具體結(jié)構(gòu)尺寸(cùn)數據(jù)如(rú)下：進出(chū)口直徑爲φ20mm，收縮(suō)段夾角(jiǎo)爲12°，起(qǐ)旋器葉(yè)片(piàn)入(rù)射角(jiǎo)爲42°，收縮比爲1.25（喉(hóu)部直(zhí)徑爲φ16mm），擴張(zhāng)段夾角爲60°，結構(gòu)尺寸如圖3所示。

2.2流體(tǐ)力學控制方程和湍流模型
　　旋進旋渦流(liú)量計的流(liú)體動(dòng)力特性，可以用(yòng)流體力學(xué)基本(běn)方程進(jìn)行描述(shù)。
　　連續性(xìng)方程和(hé)動量(liàng)方(fāng)程(chéng)：

式（1）、式(shì)（2）中：p——靜(jìng)壓；ui——流(liú)動速(sù)度；f——質(zhì)量力；τij——應力(lì)質量。

　　流(liú)量計内(nèi)部爲(wèi)湍流流動(dòng)，需(xū)引(yǐn)入(rù)湍流模(mó)型，标準的k-epsilon湍流模型用于強旋流或帶有彎曲壁面的流(liú)動時(shí)，會出現一定的(de)失真，因此本文(wén)選用rngk-?湍流(liú)模型。湍流模型和相關方(fāng)程在文獻[5]中有詳(xiáng)細(xì)說明(míng)。
3k值系數的(de)确定(dìng)
3.1不同(tóng)流量下的k值系數
　　dn20小型旋進旋(xuán)渦(wō)流(liú)量計(jì)的範(fàn)圍爲2.5m3/h～25m3/h，分别(bié)選擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h，作(zuò)爲仿(páng)真計(jì)算的進出(chū)口流量(liàng)，出(chū)口的(de)相對(duì)壓(yā)力(lì)設爲0pa，壁面爲無(wú)滑移(yí)邊界。先(xiān)常定計(jì)算，然(rán)後(hòu)在常定(dìng)計算的基(jī)礎上(shàng)進行(háng)非常(cháng)定計算。
　　選取上述4組(zǔ)仿真的同(tóng)一截(jié)面的同選定一(yī)測量點(diǎn)，分别計(jì)算點(diǎn)的(de)壓力變(biàn)化頻(pín)率與壓差(chà)，從而(ér)判斷(duàn)不同(tóng)流量下(xià)dn20小(xiǎo)型旋進旋(xuán)渦流量計的性能優劣。
　　截(jié)面取喉部（擴張(zhāng)段前截面處(chù)），截(jié)面上節點位置(zhì)距離壁面(miàn)3mm，具體(tǐ)位置(zhì)如圖4所示(shì)。不(bú)同流(liú)量下的節點的壓力變(biàn)化雲圖如圖5所(suǒ)示。

　　根據圖5數據(jù)，整理(lǐ)可(kě)得(dé)到以(yǐ)下數據：流量爲(wèi)25m3/h時，0.002s内(nèi)壓力(lì)變化約爲3.9次(cì)，頻率爲(wèi)1950hz，換算得(dé)k此時k系(xì)數約爲281000；流(liú)量爲(wèi)12.5m3/h時，0.005s内壓力(lì)變化(huà)約爲4.5次，頻率爲(wèi)900hz，換算得(dé)k此(cǐ)時k系(xì)數約爲259366；流量爲5m3/h時，0.02s内壓力變化約爲6.5次，頻率爲(wèi)325hz，換算得k此(cǐ)時k系(xì)數約(yuē)爲233981；流量爲(wèi)2.5m3/h時，0.1s内壓力(lì)變化(huà)約爲(wèi)17次，頻率爲(wèi)170hz，換算得k此時k系(xì)數約爲244957。
　　根據上(shàng)述數(shù)據整(zhěng)理可(kě)得：平(píng)均(jun1)k系數值(zhí)約爲254825。
　　以上數據(jù)存在以下問題(tí)：當測量低(dī)流量(liàng)（2.5m3/h）時，出(chū)現(xiàn)壓差減(jiǎn)小，壓力變化的(de)範圍不大，渦核轉動(dòng)幅度(dù)減小(xiǎo)，脈動效應不明(míng)顯，不利(lì)于傳感(gǎn)器的(de)測量。針對(duì)此問(wèn)題(tí)，本文對(duì)dn20小型旋進旋渦(wō)流量(liàng)計進行結(jié)構優(yōu)化，以提高(gāo)流量計在測量(liàng)低流量(liàng)時的測(cè)量精度。
3.2針對小流量(liàng)測量的結構優(yōu)化
　　參(cān)考相(xiàng)關論(lùn)文[7]，影響流(liú)量計(jì)儀(yí)表精度(dù)與(yǔ)最小測量流(liú)量的3個相關因(yīn)素爲(wèi)：收縮(suō)段角(jiǎo)度、起旋器入射(shè)角和(hé)喉部直徑(jìng)（收縮比）。
　　仿(páng)真實(shí)驗選用三因素(sù)三水平正(zhèng)交實驗，三因素(sù)分别爲：起(qǐ)旋角、收縮(suō)角和(hé)收縮比。起(qǐ)旋角對應的(de)三(sān)水平(píng)爲40/42/45，收縮比(bǐ)對應的(de)三水平爲（20:17）/（20:16）/（20:15），收(shōu)縮角對應(yīng)的(de)三水平爲13/12/11。綜(zōng)合考(kǎo)慮所有的(de)因素要實驗27次(cì)，而正交實驗隻(zhī)要選取9組(zǔ)關鍵(jiàn)實驗(yàn)，表(biǎo)1爲正交(jiāo)實驗表。

　　依(yī)照三因素(sù)三(sān)水平正交實驗表(biǎo)，按順(shùn)序進(jìn)行正(zhèng)交實(shí)驗，得到不同情(qíng)況下(xià)的相同時(shí)刻的(de)截面壓力雲圖如圖6所示(shì)，截面(miàn)壓力(lì)的變(biàn)化圖(tú)如圖(tú)7所示(shì)。圖片按實驗(yàn)序号一一對(duì)應。、


　　由(yóu)正交實(shí)驗(yàn)所得到的(de)數(shù)據可知(zhī)，模(mó)型(xíng)六與(yǔ)模型九在(zài)低流量的情況下(xià)仿(páng)真，壓(yā)力變化明顯，壓(yā)力變化(huà)幅度較(jiào)原模(mó)型顯著提(tí)高，脈動效應明(míng)顯，即相較于原(yuán)模型得到優化(huà)。
3.3确定(dìng)模(mó)型
　　爲了進一步驗證模(mó)型參(cān)數的優化(huà)情況，選擇(zé)最優模型(xíng)，分(fèn)别取不(bú)同的(de)進口(kǒu)流量(liàng)，對(duì)模(mó)型六與模(mó)型九(jiǔ)進行(háng)仿真實驗，計算(suàn)對應(yīng)的頻率和(hé)k系數(shù)值。
　　考(kǎo)慮到原模(mó)型的流量(liàng)範圍(wéi)在2.5m3/h～25m3/h，頻率爲150hz～1500hz，此次(cì)仿真實驗取對(duì)應的進(jìn)口流量(liàng)爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模型(xíng)六不(bú)同進(jìn)口流量的(de)對應壓力(lì)變化圖如圖(tú)8所示。根(gēn)據4組仿(páng)真(zhēn)實驗(yàn)所得(dé)數據，得到模(mó)型六(liù)的頻率(lǜ)輸出(chū)範圍約(yuē)爲162hz～2100hz，k值平均爲(wèi)279845，較原模型提高約27%。

　　模(mó)型九不同(tóng)進口(kǒu)流量的對應壓(yā)力變化圖如圖9所示。根據4組仿真實驗所(suǒ)得數據，得(dé)到(dào)模型九(jiǔ)的頻率輸出範(fàn)圍約(yuē)爲200hz～2350hz，k值平均(jun1)爲322343，較原模型提高約46%。

　　根據(jù)所有(yǒu)相關(guān)數據得出(chū)結論：模(mó)型(xíng)九相(xiàng)較于模型六有(yǒu)更好(hǎo)的優化效(xiào)果。因此，選取模(mó)型九(jiǔ)做爲最優(yōu)模型
3.4測量點的(de)選定
　　由于流(liú)量(liàng)計的脈動(dòng)複雜(zá)性，在(zài)管(guǎn)道内部(bù)對流場壓力測量點的(de)選取至(zhì)關重要。爲了選擇最優(yōu)測(cè)量點(diǎn)，對整個模型進(jìn)行仿(páng)真實驗，根據(jù)以(yǐ)往經(jīng)驗，選(xuǎn)取喉部附近不(bú)同的8個位(wèi)置進(jìn)行相應(yīng)的測量(liàng)，查看對應的壓(yā)力(lì)變(biàn)化，從而判(pàn)斷最優的測量點。本次仿(páng)真實(shí)驗選擇(zé)的(de)8個測(cè)量點(diǎn)的位置如(rú)圖(tú)10所示。

　　在(zài)低流(liú)量2.5m3/h仿真(zhēn)環境下(xià)，選擇(zé)如圖(tú)10所示(shì)的8個不同節點(diǎn)，比較壓力變化幅度及峰值的(de)變化。由上(shàng)述實驗知(zhī)模型(xíng)九優化效果(guǒ)最好，所(suǒ)以選用模型九做爲本次仿真(zhēn)實驗(yàn)的仿真模(mó)型，圖11爲各(gè)個不(bú)同節點(diǎn)的壓力(lì)變化(huà)圖，其中a、b、c、d、e、f、g和(hé)h與圖(tú)10上節點一(yī)一對應。
　　由于脈動信号的(de)拾取(qǔ)是通過壓(yā)力傳感器(qì)測得，在傳(chuán)感器測量條件(jiàn)一定的情(qíng)況下，壓力幅值(zhí)變化越大越容易測(cè)量。由圖11所(suǒ)得數(shù)據可知，c點和d點(diǎn)的壓力幅值與(yǔ)極值(zhí)大于(yú)其他(tā)測量點，有利于(yú)壓力傳感器的(de)檢測，綜合(hé)所有(yǒu)實驗的壓力截(jié)面圖判斷，确定(dìng)最優(yōu)的(de)檢測點(diǎn)在距離(lí)喉部末端約0mm～1mm，且距壁面(miàn)2mm～4mm處。

4結語
1）本(běn)文根(gēn)據dn25旋進旋渦流量計(jì)實物(wù)模型(xíng)，繪制出dn20小型旋(xuán)進旋渦流量計(jì)，借助ansysfluent對dn20小型旋(xuán)進旋渦流量計(jì)進行仿真實驗(yàn)，獲得了dn20小(xiǎo)型流量計(jì)不同結構(gòu)的内部流(liú)場及(jí)其信(xìn)息，分(fèn)析了(le)流量計工(gōng)作範(fàn)圍内旋渦規律(lǜ)和流量之間的關系(xì)，綜(zōng)合(hé)分析(xī)後确定其(qí)k值系(xì)數。
2）根據dn20微型旋進旋(xuán)渦流量計(jì)在(zài)小流量工況(kuàng)下的壓力(lì)變化(huà)情況，優化(huà)了其結構，确(què)定起旋角爲45°、收縮比爲20：15、收縮(suō)角(jiǎo)爲(wèi)12°時，可(kě)有效解決dn20微型(xíng)旋進(jìn)旋(xuán)渦流量(liàng)計對小流量的測量不精确的(de)問題。
3）本文在優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，根據同(tóng)一流量下的壓力變化情(qíng)況(kuàng)，綜合所(suǒ)有實驗，确定了(le)dn20小型旋(xuán)進(jìn)旋渦(wō)流量計的(de)最優(yōu)測量點，爲dn20小型(xíng)流量計(jì)開發提(tí)供(gòng)了理論依據(jù)。
4）在上述仿真(zhēn)研(yán)究和dn20建模(mó)的基(jī)礎上，依(yī)次制作(zuò)了dn20小型流(liú)量計(jì)3d打印樣機，通過(guò)測試其實際k系(xì)數在小流量段基本(běn)接近(jìn)理論(lùn)值，結(jié)果表明本(běn)文流(liú)量計的性(xìng)能達到了開發預期(qī)。

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