摘要(yào)：爲優化小流(liú)量(liàng)渦輪(lún)流量(liàng)計 結構,建(jiàn)立小流量渦(wō)輪流量(liàng)計的數(shù)學(xué)模型和三(sān)維(wéi)模(mó)型,通(tōng)過(guò)其流(liú)場(chǎng)特性(xìng)進行(háng)仿(páng)真分析(xī),研究導(dǎo)流架端(duān)部的(de)形(xíng)狀、葉輪(lún)與導(dǎo)流架之間凹槽寬(kuān)度、葉輪(lún)面積和形(xíng)狀對(duì)葉輪(lún)穩定旋轉(zhuǎn)的影響(xiǎng),并對不(bú)同結(jié)構(gòu)導流架(jià)端部(bù)的小流量(liàng)渦輪流量計的(de)流場特性進行了分析,圓錐形(xíng)結構葉輪(lún)的高壓低(dī)速區面積(jī)最小，能夠(gòu)有效(xiào)減少(shǎo)壓力損失(shī),提高流量計的測量(liàng)精度。
0引言(yán)
　　渦輪流量(liàng)計 是(shì)一種典型(xíng)的速(sù)度式(shì)流量(liàng)計,具(jù)有精度高、重複(fú)性好、結構簡單(dān)、在(zài)石(shí)油、化工、航(háng)空航天、電(diàn)力(lì)等(děng)領域有着及其(qí)重要的應(yīng)用中(zhōng)。爲解(jiě)決氣液兩相流量計量問(wèn)題,文獻[2]設(shè)計了(le)一種雙(shuāng)渦輪質量流量計(jì);文獻(xiàn)[3]針對傳統渦輪(lún)流量計需鋪設(shè)電源線和信(xìn)号傳輸電纜,使用不方便的(de)問題(tí),設計了一種基(jī)于arm單片機(jī)的無(wú)線渦(wō)輪流量計;文獻[4]采用3葉片長螺旋(xuán)形結構(gòu)設計了一(yī)種新(xīn)型的渦輪流量(liàng)計;文獻[5]研究了(le)基于渦(wō)輪(lún)式氣(qì)體流量傳(chuán)感器的呼(hū)氣容量計算方法;文獻[6]研(yán)究了渦輪(lún)流量(liàng)計變(biàn)粘度流量(liàng)計算與校準方法;文(wén)獻[7]研究了(le)一種(zhǒng)高壓氣體(tǐ)渦輪流(liú)量(liàng)計。這(zhè)些研究(jiū)推(tuī)動了(le)渦輪流量(liàng)計研究和(hé)應用,随着(zhe)小流量計(jì)量精(jīng)度要(yào)求的不斷提高，小流(liú)量渦輪流(liú)量計的流(liú)場特性等受到(dào)關注。本(běn)文從小(xiǎo)流量(liàng)渦(wō)輪流量計設計需求出(chū)發,通過建立小(xiǎo)流量(liàng)渦輪(lún)流量(liàng)計的數學(xué)模型(xíng)、三維(wéi)模型,仿真(zhēn)分析小流(liú)量渦(wō)輪流量(liàng)計的流(liú)場特(tè)性，研(yán)究其(qí)優化設計。
1渦輪(lún)流量傳感器工(gōng)作原理
　　渦(wō)輪流(liú)量計依靠流經(jīng)管道(dào)的流體對(duì)置(zhì)于(yú)管道(dào)内葉(yè)輪葉片的沖(chòng)擊驅動葉輪轉動(dòng),如圖(tú)1所示，其核心結構包括殼體、前後導(dǎo)流架(jià)、葉輪、軸承(chéng)和磁(cí)鋼。其中殼體連(lián)接外部管道,固定内部結構部(bù)件,對進(jìn)入殼體(tǐ)内的流體進行(háng)微整(zhěng)流;葉輪空心輪毂(gū)内裝磁(cí)鋼,兩(liǎng)端裝(zhuāng)有軸承,與導流架.配(pèi)合,保證(zhèng)葉輪穩定旋轉,實(shí)現流(liú)量大(dà)小的計量(liàng)。
 
2小流量渦輪流(liú)量計數學(xué)模型
　　流體流速流量(liàng)與葉輪角(jiǎo)速度成(chéng)比例關(guān)系,通(tōng)過對渦(wō).輪葉片.上力矩的分析(xī),綜合小流量渦輪流(liú)量計的葉(yè)輪結構特性及(jí)其制(zhì)造工藝,依(yī)據動量矩(jǔ)定理得到葉(yè)輪(lún)運動(dòng)方程(chéng)爲:
 
　　式(1)中,j爲葉輪(lún)轉動動量(liàng);ɷ爲葉(yè)輪旋(xuán)轉角(jiǎo)速度;md爲葉輪驅(qū)動力(lì)矩(jǔ),mr,爲葉片(piàn)表面(miàn)粘性摩擦阻力矩;mb爲(wèi)軸與(yǔ)軸承(chéng)間的粘(zhān)性(xìng)摩擦(cā)阻力(lì)矩;mh爲(wèi)輪毂周面上粘(zhān)性摩擦(cā)阻(zǔ)力矩;mw爲(wèi)輪(lún)毂(gū)端面上(shàng)的粘性摩擦阻力矩;mt爲葉片頂端與殼體間隙的粘(zhān)性摩擦阻(zǔ)力矩;mm爲電磁阻(zǔ)力矩和軸承上摩擦阻力(lì)矩之(zhī)和。
式(1)中(zhōng):
 
　　式(shì)(3)中ρ爲(wèi)流體(tǐ)密度;q爲流體(tǐ)體積流(liú)量;u1爲(wèi)流體的軸向來流速度;u2爲(wèi)流體(tǐ)流出時葉片速(sù)度;a1爲(wèi)流體流人(rén)時與葉輪(lún)圓周方向的夾角;a2爲(wèi)流體流(liú)出(chū)葉片(piàn)與葉(yè)輪圓(yuán)周切(qiē)向的夾角(jiǎo);如圖2葉片(piàn)入口和出(chū)口的(de)速度(dù)平面(miàn)圖所示。
　　當流量(liàng)恒定時(shí),式(shì)(3)中ρ、q、u1、a1爲已知(zhī)量,考慮到(dào)葉輪葉片旋轉(zhuǎn)方向上流體進(jìn)出口線速(sù)度相(xiàng)同,記進(jìn)出口線速度(dù)分别設爲ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記(jì)流體(tǐ)與葉(yè)輪葉片出(chū)入(rù)口(kǒu)的相對角(jiǎo)速度(dù)分别爲ɷ1和ɷ2,則圓(yuán)周運動方向夾(jiá)角β2與(yǔ)葉片(piàn)與軸線結(jié)構夾角θ之間有式(4)所示關系:
 
 
　　式(shì)(9)中(zhōng),ɷh?爲(wèi)輪毂處角速度;βw爲平(píng)均相對(duì)流速方(fāng)向與葉輪(lún)軸線間角(jiǎo)度;ah爲葉片(piàn)部分輪毂面積(jī),r0爲葉(yè)輪(lún)所在殼(ké)體内徑,rh爲(wèi)輪毂(gū)半徑(jìng)
輪毂周(zhōu)面(miàn)粘性摩擦阻力矩mhf爲:
 
3渦輪流量計三(sān)維流場仿(páng)真與(yǔ)優化(huà)設計(jì)
3.1葉輪三維(wéi)模型建立
　　基于上述(shù)分析可見(jiàn)，葉輪的運(yùn)動特性主(zhǔ)要受其結構參(cān)數、流(liú)體粘(zhān)性系數等影響。爲分析小流(liú)量(liàng)渦輪(lún)結構的流場特性,設計參數如(rú)表1所示葉輪(lún)系統,借(jiè)助ug軟(ruǎn)件建(jiàn)立其三維仿真(zhēn)模型(xíng);将(jiāng)該(gāi)三維(wéi)模(mó)型導(dǎo)入ansyswork-bench軟件(jiàn)中仿真。
 
　　考慮到(dào)葉輪(lún)的運動性(xìng)能是流量計量(liàng)的核(hé)心,仿真中(zhōng)采(cǎi)用(yòng)小四(sì)面體(tǐ)網格。小尺寸窄表面采用局部(bù)網格(gé),渦(wō)輪(lún)旋轉(zhuǎn)區劃分的網格(gé)數約(yuē)爲230萬,整個模型劃分的網格總數爲(wèi)353萬。
3.2葉輪流(liú)場特性分(fèn)析
3.2.1葉(yè)輪速(sù)度場(chǎng)分析
　　分别取流(liú)量爲5.2184l/min、9.3761l/min、16.6981l/min對(duì)葉(yè)輪(lún)流(liú)場仿真分析,獲(huò)得上述流(liú)量下葉輪後(hòu)導流架(jià)後端速度矢量(liàng)圖(圖3(a),(b),(c)所示),可(kě)見(jiàn)流體與前導流(liú)架前端碰(pèng)撞産生低(dī)速區，靜壓(yā)力(lì)變大(dà),且随流(liú)量增大而(ér)變大,壓力(lì)損(sǔn)失明顯(xiǎn);流體進(jìn)入前導流架(jià)後,流(liú)速加(jiā)快,雷諾數(shù)增加(jiā),湍流(liú)強(qiáng)度變大。流體(tǐ)進入(rù)葉輪(lún)前，先流經葉輪(lún)與前(qián)後導流架連接(jiē)的槽,由于(yú)槽内流速(sù)低,此時流量的(de)速度(dù)分布不均,且有強渦(wō)流産(chǎn)生。回流(liú)導(dǎo)葉尾(wěi)端速(sù)度矢量圖如圖(tú)3(d)所示,流體(tǐ)在後(hòu)導流架(jià)後(hòu)端出(chū)現長尾流,尾流(liú)長度随流量增(zēng)大而(ér)減小。
 
 
3.2.2壓力場分(fèn)析
　　分(fèn)析上(shàng)述三個(gè)不(bú)同流(liú)量時(shí)流道内壓(yā)力場,發現(xiàn)随着(zhe)流量(liàng)增加,葉輪(lún)、導流架上(shàng)遊面(miàn)形成的(de)靜壓變(biàn)高,葉片上(shàng)遊面(miàn)和(hé)葉片(piàn)下遊面(miàn)的壓力随着流量的增加而減(jiǎn)小(如圖4所(suǒ)示),可(kě)見,導流(liú)架端部(bù)的形狀、葉輪與(yǔ)導流(liú)架之間凹(āo)槽寬度(dù)、葉(yè)輪面積和(hé)形狀對葉(yè)輪穩定旋轉均(jun1)有明(míng)顯影響。
3.3結(jié)構優化設(shè)計(jì)
3.3.1導流架(jià)頭部結構(gòu)設計
　　基于(yú)上述(shù)cfd仿真(zhēn)分析(xī)結果(guǒ),爲有效減小葉輪壓力.損(sǔn)失,将(jiāng)原導(dǎo)流(liú)架頭部的球形分别設計橢球(qiú)型和圓(yuán)錐形(xíng),改進後的(de)導流架頭部(bù)尺(chǐ)寸如(rú)圖5所示。
 
3.3.2結(jié)構優化後葉輪三維(wéi)流場特性(xìng)
　　基于上述結構(gòu),仿真(zhēn)流量爲q=5.2184l/min和(hé)q=16.6981l/min時，不同導流架(jià)結構下(xià)葉輪速(sù)度場,由.圖(tú)6可見,圓錐形結構葉(yè)輪的高壓(yā)低速(sù)區面積最(zuì)小,其(qí)次是橢圓(yuán)形體(tǐ),球形(xíng)結(jié)構葉輪(lún)的高(gāo)壓(yā)低速區(qū)面積(jī)最大(dà),圓錐形結構能(néng)夠有效減(jiǎn)少壓力損(sǔn)失,提高流(liú)量計(jì)的測(cè)量精度。在(zài)前導流架環狀(zhuàng)流動(dòng)路徑中，圓(yuán)錐形流體(tǐ)的速(sù)度分布最均勻(yún)的(de)，橢圓體結構(gòu)次之(zhī),球形結構最差,圓錐(zhuī)結構(gòu)具有較(jiào)好的整(zhěng)流效果。
流量爲(wèi)q=5.2184l/min和q=16.6981l/min時,改(gǎi)進(jìn)後導(dǎo)流架頭部形狀後端形成的尾(wěi)流如圖7所示。圓錐形(xíng)結構尾流(liú)面(miàn)積最小(xiǎo),橢球(qiú)形較(jiào)小，球(qiú)形結(jié)構尾流(liú)面積最(zuì)大,三(sān)種形狀的尾流(liú)中均(jun1)有渦(wō)流出(chū)現,圓錐形(xíng)産生渦流(liú)最小(xiǎo),壓力損失(shī)最小(xiǎo)。
4結論
　　本文從小流量(liàng)渦(wō)輪(lún)流量(liàng)計設計需求出(chū)發,通(tōng)過建立小(xiǎo)流量渦輪(lún)流量計的數學模型、三維(wéi)模型,基于小流量渦輪流(liú)量計的流場特性,優化改(gǎi)進了其導流架結構(gòu),所得(dé)結論(lùn)如下(xià):
(1)由于流體(tǐ)對前(qián)導流架沖(chòng)擊,會(huì)導緻(zhì)葉輪(lún)靜壓(yā)力變.大,流道面(miàn)積變小,流速增大,經前導(dǎo)流架(jià)進人葉(yè)輪旋轉(zhuǎn)區後随葉輪旋(xuán)轉形成(chéng)旋流。
(2) 随(suí)着流量(liàng)增加,葉(yè)輪、導(dǎo)流架上遊(yóu)面形成的靜壓(yā)變高,葉片(piàn)上遊(yóu)面和葉片(piàn)下遊(yóu)面的(de)壓(yā)力(lì)随着(zhe)流量(liàng)的(de)增(zēng)加.而(ér)減小。
(3)圓錐形(xíng)結構葉輪(lún)的(de)高壓低速區面積最小，能(néng)夠有(yǒu)效減(jiǎn)少壓力損失,提(tí)高流量計的測(cè)量精度(dù)。此(cǐ)外,在前導流(liú)架環狀(zhuàng)流動路(lù)徑中,圓(yuán)錐形流體的速(sù)度分布(bù)最(zuì)均(jun1)勻(yún)的，較(jiào)橢圓(yuán)體球(qiú)形導流(liú)架(jià)結構,圓錐(zhuī)結構(gòu)具有(yǒu)最好的整流效(xiào)果。

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