[摘(zhāi)要(yào)]采用計算流體(tǐ)力學(cfd)的方法對(duì)一口徑爲(wèi)80mm的氣(qì)體(tǐ)渦輪流量計(jì) 進行(háng)工況條(tiáo)件(jiàn)的數(shù)值(zhí)模拟研(yán)究.通過計算,分(fèn)析了流(liú)量計在(zài)不同(tóng)流量下,各(gè)部件包括(kuò)前整(zhěng)流器.前導流器(qì)、機芯殼體、葉輪支座、葉輪(lún)和後(hòu).導流(liú)器(qì)對(duì)壓力(lì)損失(shī)的影響(xiǎng),給(gěi)出了各(gè)部(bù)件的(de)流量與(yǔ)壓力損(sǔn)失的(de)關系(xì)曲線及其壓力損失(shī)比例.數(shù)值模(mó)拟(nǐ)結果與實驗結(jié)果相符(fú),進(jìn)而從(cóng)流道(dào)内(nèi)的壓力(lì)分布和(hé)流場分(fèn)析壓(yā)力損失原(yuán)因并提出減少(shǎo)壓力損失的改(gǎi)進思路.
　　在天然氣的采集(jí)、處理(lǐ)、儲存、運輸和分(fèn)配過程(chéng)中,需要(yào)數以百萬計的流量(liàng)計,它既是天然氣供(gòng)需雙(shuāng)方貿(mào)易結算的(de)依據(jù),也是(shì)生産部門用(yòng)氣(qì)效率(lǜ)的主要技術指标(biāo)，因(yīn)此對流量(liàng)計測量(liàng)正确率和可靠性有要(yào)求.
　　氣體渦(wō)輪流(liú)量計(jì)屬于速度式流量計(jì),是應(yīng)用于燃氣貿易(yì)計量的(de)三(sān)大流量儀表(biǎo)之一，由(yóu)于具有重(zhòng)複性(xìng)好、量程範(fàn)圍寬(kuān)、适應性強、精度高、對流量變化(huà)反應靈(líng)敏(mǐn)、輸出脈沖(chòng)信号、複現(xiàn)性好和(hé)體(tǐ)積小(xiǎo)等特點(diǎn)，氣體渦(wō)輪流(liú)量計(jì)近年來已(yǐ)在石油、化(huà)工和天然氣等領域獲得(dé)廣泛(fàn)的應(yīng)用”。
　　随着(zhe)渦(wō)輪流量計在管(guǎn)道計量(liàng)領域的(de)廣泛使用,天然(rán)氣管道輸送過(guò)程中的能耗成爲不容忽(hū)視的(de)問題(tí)，而(ér)天然氣(qì)管道輸(shū)送(sòng)過程(chéng)中的壓力損失(shī)是産生能源消耗的主要原因(yīn)之一.爲(wèi)保(bǎo)證天(tiān)然氣(qì)能順(shùn)利輸(shū)送至(zhì)用戶(hù)端,就(jiù)需要提高各壓(yā)氣站的輸送壓(yā)力并(bìng)盡量減少管道輸(shū)送過程(chéng)中(zhōng)的壓力損失(shī),而各級管(guǎn)道上的計量(liàng)流量計(jì)所造成(chéng)的(de)壓力(lì)損失占有很大(dà)比重，因此,氣體(tǐ)渦輪流量計的(de)壓力損失(shī)研究對節(jiē)能(néng)減排和推動(dòng)我國燃氣計量(liàng)儀表産業(yè)的發展(zhǎn)具(jù)有較好的(de)推(tuī)動作用(yòng)，
　　目前，渦(wō)輪(lún)流量計的(de)優化(huà)主要(yào)通過改(gǎi)良其導(dǎo)流件、葉輪，軸承(chéng)、非磁電信号檢(jiǎn)出器等(děng)部件的(de)結構尺(chǐ)寸(cùn)和加(jiā)工(gōng)工(gōng)藝，來(lái)改善(shàn)流量計測量氣體、高(gāo)粘度流體(tǐ)和小(xiǎo)流量時的特性(xìng).孫立(lì)軍[切(qiē)對降低渦(wō)輪流(liú)量傳(chuán)感器粘度變化敏感(gǎn)度進(jìn)行了研(yán)究.sun等0采用了standardke湍流模型(xíng)數值模(mó)拟(nǐ)口徑(jìng)爲15mm的渦輪流(liú)量(liàng)計的内部流動(dòng),結果表(biǎo)明(míng)壓力(lì)損失(shī)受(shòu)到前端和後端形狀、導流體(tǐ)半(bàn)徑(jìng)、導流(liú)體的導(dǎo)流片和渦輪葉(yè)片厚度(dù)的影(yǐng)響(xiǎng).劉(liú)正先(xiān)和徐(xú)蓮環回雖(suī)然對氣體(tǐ)渦(wō)輪(lún)流量(liàng)計的(de)流動(dòng)進行實(shí)驗測量(liàng)和數值計算，發(fā)現(xiàn)前導流(liú)器的(de)結構(gòu)變(biàn)化(huà)對後(hòu)面各(gè)部件内的(de)氣體(tǐ)流動(dòng)速度(dù)梯度和壓(yā)力恢(huī)複也有明顯影(yǐng)響,使總壓(yā)力(lì)損(sǔn)失進(jìn)一步放大(dà)或減小,但(dàn)對流量計(jì)的其它部(bù)件未進行分析(xī).本文将對一(yī)種(zhǒng)型号(hào)氣體(tǐ)渦輪流量計各部件(jiàn)的壓力(lì)損失與流量的關系進(jìn)行分析研究(jiū)，以(yǐ)提出(chū)其(qí)優化思(sī)路.
1渦(wō)輪(lún)流(liú)量計(jì)的基(jī)本結(jié)構及(jí)工(gōng)作(zuò)原理
　　本文(wén)采用(yòng)80mm口(kǒu)徑氣(qì)體(tǐ)渦輪流量計作爲研(yán)究對象,對(duì)其進(jìn)行内部流(liú)道的壓(yā)力損失(shī)數值模拟.氣體渦輪(lún)流量(liàng)計結(jié)構示意圖如圖(tú)1.氣體渦輪流量(liàng)計(jì)實物如(rú)圖2,其(qí)中圖(tú)2(a)爲(wèi)渦輪流(liú)量計實物圖,圖(tú)2(b)爲渦輪(lún)流(liú)量計(jì)機芯葉(yè)輪實物(wù)圖.
 
　　氣(qì)體渦輪流量計(jì)的原理是(shì),氣體(tǐ)流過流量(liàng)計推(tuī)動渦(wō)輪葉(yè)片旋(xuán)轉,利用(yòng)置(zhì)于流(liú)體中的葉輪的(de)旋轉角速(sù)度與流體流速成比(bǐ)例的(de)關系，通過(guò)測量葉輪轉速(sù)來得到流體流(liú)速，進而(ér)得到管(guǎn)道内(nèi)的流量值(zhí)[10].渦輪(lún)流(liú)量計輸(shū)出的(de)脈沖頻率s與所(suǒ)測體(tǐ)積;流量qv成正比，即
 
　　式(shì)(2)中:j一葉(yè)輪(lún)的轉(zhuǎn)動慣(guàn)量(liàng);t一時間(jiān);ω一葉輪的(de)轉(zhuǎn)速;tt一推動力矩;trm一(yī)機械摩擦(cā)阻力矩;ttf一(yī)流動阻力(lì)矩;tre一(yī)電磁(cí)阻力(lì)矩.
2計算模型
2.1數(shù)學模型
　　設(shè)定渦輪流量計數值(zhí)模拟的(de)工(gōng)作介(jiè)質爲空氣.流動(dòng)處于湍流(liú)流動，數值模拟湍流(liú)模型(xíng)采(cǎi)用realizablek-e模型(xíng)，該模(mó)型适用于模拟計算(suàn)旋轉(zhuǎn)流動.強逆壓梯(tī)度的邊界(jiè)層流動、流(liú)動(dòng)分離和(hé)二次流等(děng),其模(mó)型方程表(biǎo)示爲(wèi)11]1:

 
2.2流體(tǐ)區域網(wǎng)格劃分
　　使(shǐ)用(yòng)solidworks三維設計軟(ruǎn)件依照實物(wù)尺(chǐ)寸對渦(wō)輪流量計(jì)各部(bù)件進行建模及(jí)組裝，簡化主軸、取壓(yā)孔和加油(yóu)孔等(děng)對流體區(qū)城影響較小的(de)部分，
　　先對(duì)機芯(xīn)部分做布(bù)爾運(yùn)算得(dé)到純(chún)流體區域，然後對葉輪(lún)外(wài)加包絡體(tǐ)形成(chéng)旋轉區域(yù)，在機芯(xīn)進(jìn)出口(kǒu)前後均(jun1)加上15倍機芯口徑的直管段，以保證進(jìn)出口流動爲充(chōng)分發展湍(tuān)流.
　　全(quán)部流體(tǐ)區域包(bāo)括前(qián)後(hòu)直管段、葉輪包絡(luò)體以(yǐ)及機芯部分的(de)流體區域(yù).用gambit軟(ruǎn)件對三維模型(xíng)進行網格劃分，對流(liú)體(tǐ)區(qū)域中(zhōng)的小面和尖角(jiǎo)等難以生成網(wǎng)格的部(bù)分(fèn)進行優化(huà)和簡化處(chù)理，流(liú)體(tǐ)區域使(shǐ)用非結(jié)構化混(hùn)合網格，并(bìng)對機(jī)芯流道内葉輪(lún)等流(liú)動(dòng)情況較(jiào)複雜(zá)區域進行(háng)了局部加密，如圖3.其中圖3(a)爲機(jī)芯流體區域網格圖(tú)，圖3(b)爲葉輪(lún)網格(gé)圖,整(zhěng)體網(wǎng)格總(zǒng)數(shù)量約(yuē)230萬.
 
2.3數值模拟(nǐ)仿真條件設置
　　數值(zhí)計算時，爲(wèi)方便模拟結(jié)果與實驗結(jié)果(guǒ)的對比(bǐ),環境(jìng)溫度、濕度(dù)和壓力設(shè)置與(yǔ)實驗工況(kuàng)相同(tóng),流體介(jiè)質選擇空氣,空(kōng)氣(qì)的密(mì)度ρ和動力粘度(dù)”根據(jù)rasmussen提出(chū)的計(jì)算規程拟合(hé)推(tuī)導出的簡化公(gōng)式(5)和(6)計(jì)算獲得(dé)：
 
　　模型(xíng)選擇(zé)realizablek-e湍流(liú)模型，壓力(lì)插值(zhí)選擇(zé)bodyforceweighted格式,湍流(liú)動能、湍(tuān)流耗散項和動量方程(chéng)均采(cǎi)用二(èr)階迎(yíng)風格式離散，壓(yā)力與速(sù)度的耦(ǒu)合采(cǎi)用simplec算(suàn)法求(qiú)解，其餘(yú)設置均采用fluent默認值.
　　計(jì)算(suàn)區(qū)域(yù)管道人(rén)口采用速(sù)度入(rù)口邊界條(tiáo)件，速度方向(xiàng)垂直于(yú)人口(kǒu)直管段截(jié)面，出(chū)口(kǒu)邊界條(tiáo)件采(cǎi)用壓力出口.葉(yè)輪包絡體(tǐ)設置(zhì)爲動流動(dòng)區域,其餘爲靜(jìng)流動區域，采用(yòng)interface邊界條件作爲(wèi)分界面(miàn)，對于旋(xuán)轉部分和靜止(zhǐ)部分之間的耦(ǒu)合采用(yòng)多重參(cān)考坐标模型(mrf).葉(yè)輪采(cǎi)用滑移邊(biān)界條件(jiàn)且(qiě)相對于附(fù)近旋(xuán)轉流體區域速度爲(wèi)零.葉輪轉速是(shì)通過使用fluent軟件中的(de)turbotopol-ogy與(yǔ)turboreport功能，不(bú)斷調整葉(yè)輪轉(zhuǎn)速，觀(guān)察葉輪轉(zhuǎn)速是否達(dá)到力(lì)矩平衡來(lái)确定(dìng)的。
3數值(zhí)模拟結(jié)果分析
　　在(zài)流量(liàng)計流量範(fàn)圍内選取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這(zhè)6個流(liú)量點進行同工(gōng)況環境(jìng)數(shù)值模(mó)拟，得到氣體渦輪流量計的内(nèi)部流場和壓力分布(bù)等數據.進(jìn)口橫截面取于前整流器前10mm處(chù)，出口橫截面取(qǔ)于後(hòu)導流體後(hòu)10mm處.計(jì)算渦(wō)輪流(liú)量計(jì)進出(chū)口橫截面上的壓力差(chà)，即得到流量(liàng)計的壓力損失。
 
　　圖4爲流量與壓(yā)力損失之間的關系(xì)曲線,圖中(zhōng)實(shí)驗值是(shì)在工(gōng)況條(tiáo)件下(xià)使用音速噴嘴(zuǐ)法氣體流(liú)量标準裝(zhuāng)置測得.
　　根據圖4中(zhōng)壓力損失随(suí)流量的(de)變化(huà)趨(qū)勢，可以将流量(liàng)與壓力損失之(zhī)間的關(guān)系拟合(hé)曲線爲(wèi)二(èr)次多(duō)項式,其(qí)表達式(shì)爲
 
　　這與(yǔ)流量計(jì)的壓力(lì)損失計算公式(8)趨(qū)勢相(xiàng)符,均爲二次函(hán)數，且數值(zhí)模拟(nǐ)結果與(yǔ)實驗結(jié)果吻合得較好，說明渦輪流量(liàng)計的内部流場(chǎng)數值模拟方法(fǎ)及結果是(shì)可行且可(kě)靠的.流量(liàng)計的壓力損失(shī)計算公式爲。
 
式(shì)(8)中:△p----壓(yā)力損(sǔn)失;α壓力損(sǔn)失(shī)系數;υ----管道平(píng)均(jun1)流速.
　　以(yǐ)流量(liàng)q=250m³/h的數值模(mó)拟計(jì)算結果爲(wèi)例進(jìn)行渦(wō)輪流(liú)量計内部流場(chǎng)及壓(yā)力(lì)場的分(fèn)析.圖5爲渦(wō)輪流(liú)量計軸向剖面(miàn)靜壓分布(bù)圖(tú).前(qián)導流器(qì)前(qián)後的(de)壓力場分(fèn)布較(jiào)均勻(yún)且壓(yā)力梯(tī)度較小，在機芯(xīn)殼體(tǐ)與葉(yè)輪支座連(lián)接凸(tū)台處(chù)壓力有所增加(jiā),連接(jiē)面(miàn)後(hòu)壓力又逐漸減(jiǎn)小.故(gù)認爲流體流經(jīng)葉輪支座(zuò)産生(shēng)壓力(lì)損失的主(zhǔ)要原(yuán)因(yīn)是連接(jiē)處(chù)存(cún)在凸(tū)台,導(dǎo)緻流場出現(xiàn)較(jiào)大變化，不(bú)能平(píng)滑過渡,建議将(jiāng)葉輪支(zhī)座(zuò)與機(jī)芯(xīn)殼體的連接(jiē)改爲(wèi)圓(yuán)弧線(xiàn)型(xíng)或流(liú)線(xiàn)型(xíng).
　　觀察(chá)圖5和圖6,當流體(tǐ)流經(jīng)葉輪從後(hòu)導流器流出渦(wō)輪流量(liàng)計時,壓(yā)力梯(tī)度變化明顯，存(cún)在負(fù)壓區(qū)域并(bìng)造成很大的壓降，在後導(dǎo)流器凸(tū)台及(jí)流(liú)量計出(chū)口處速度變(biàn)化明(míng)顯，由于氣流通過後導流器後流道(dào)突擴,在(zài)後導(dǎo)流(liú)器背面形成明(míng)顯的低速渦區(qū)，産生漩渦二次流。
 
　　結(jié)合(hé)圖7、圖8流(liú)量計軸(zhóu)向剖面(miàn)和出口橫(héng)截面(miàn)的總壓(yā)及速度(dù)分布(bù)圖(tú),其速度(dù)分布(bù)與(yǔ)壓力分(fèn)布相(xiàng)似,流量計(jì)流道内(nèi)速(sù)度分(fèn)布較均勻的區(qū)域其壓(yā)力(lì)梯度(dù)變化(huà)也(yě)較小，即(jí)流道内速度(dù)的(de)分布(bù)和變(biàn)化與壓力損失(shī)大小(xiǎo)相關(guān).由流量計軸向剖面和出(chū)口橫(héng)截面的速(sù)度及壓力分布(bù)圖可以看(kàn)出,流量計(jì)後導流器(qì)處産生的漩渦(wō)二次流影(yǐng)響了出口(kǒu)橫截面處(chù)的速(sù)度及壓力(lì)分布,流(liú)體呈螺旋狀流動(dòng),故出(chū)口處速度及壓(yā)力較大區(qū)域均(jun1)偏移向流體旋(xuán)轉方向。
 
　　流(liú)量計各(gè)部件的(de)壓力(lì)損失随(suí)流量變化的趨勢與流(liú)量計總壓力損失随流量的變(biàn)化趨(qū)勢(shì)相(xiàng)同,其拟合(hé)公式爲系數不(bú)同的(de)二次(cì)多項式(shì)，各部件的壓力損失與(yǔ)流(liú)量呈二(èr)次函(hán)數關(guān)系，随(suí)着流(liú)量的(de)增加(jiā)，壓力(lì)損失顯著增加(jiā).
 
　　觀察圖10各部件壓力損失(shī)百分(fèn)比圖(tú)，可見前整(zhěng)流器(qì)、前導(dǎo)流器(qì)和機芯殼體處的壓力損失很小，葉輪支座處(chù)壓力損失(shī)約占(zhàn)總壓力損失的(de)1/4.前整流(liú)器所占(zhàn)壓力(lì)損失比例在各流量點基本保持不變(biàn),前(qián)導流器(qì)和機芯(xīn)殼體(tǐ)處的壓力(lì)損失(shī)随流(liú)量的增(zēng)加其比(bǐ)例略(luè)有降(jiàng)低,葉輪(lún)支(zhī)座處(chù)壓力損失(shī)随流(liú)量(liàng)的增加(jiā)其比(bǐ)例略有增(zēng)加(jiā),但總體上受(shòu)流量影響不大(dà).葉輪處的壓力(lì)損失随(suí)流(liú)量從(cóng)13m³/h增加至250m³/h,其(qí)比例(lì)從15.88%降(jiàng)至8.71%,降幅明(míng)顯.後(hòu)導流器處(chù)的壓力損失占(zhàn)總壓力(lì)損失的大半(bàn),随(suí)着流量(liàng)從13m³/h增(zēng)加至(zhì)250m³/h其壓(yā)力損(sǔn)失比例由(yóu)43.77%升至55.83%,增(zēng)幅(fú)明顯(xiǎn).總之,後(hòu)導流器、葉輪(lún)支(zhī)座(zuò)和葉(yè)輪是(shì)流體流經(jīng)渦輪流量計産(chǎn)生壓(yā)力損失的(de)主要影(yǐng)響部件(jiàn),可通過優化其(qí)結構(gòu)以降(jiàng)低渦(wō)輪流量計的總(zǒng)壓力損(sǔn)失.
4結語(yǔ)
　　本文采(cǎi)用(yòng)fluent軟件對一口徑(jìng)爲80mm的渦(wō)輪(lún)流量計内(nèi)部進行了(le)數值模拟計算,分析(xī)内部(bù)流(liú)場(chǎng)、壓力(lì)場及(jí)各部(bù)件産(chǎn)生的壓力(lì)損失(shī),得出(chū)以下結論:
1)漩渦二次(cì)流是(shì)産生(shēng)能量消耗(hào)的主要(yào)原因,故(gù)建(jiàn)議(yì)對(duì)渦輪流(liú)量計(jì)葉輪支座(zuò)及後(hòu)導(dǎo)流(liú)器進(jìn)行幾.何(hé)參數的優化,将(jiāng)其(qí)凸台(tái)邊緣改爲流線(xiàn)型以(yǐ)減少流(liú)道(dào)突擴的影響.減少後導(dǎo)流器葉(yè)片厚度并增加(jiā)其長度及數量(liàng)以減弱氣(qì)體(tǐ)螺旋狀流(liú)動(dòng),減弱漩渦二次流,達(dá)到降低(dī)流量計壓力損失的目的.
2)分析各(gè)部件對壓力(lì)損(sǔn)失的(de)影響,其(qí)壓力損(sǔn)失與流量成二次函(hán)數關系.後(hòu)導流器相(xiàng)對于其他部(bù)件是壓(yā)力損失(shī)的主要因素(sù),約占總壓(yā)力損失(shī)的一半(bàn),随着流量的增(zēng)加其壓力(lì)損失占總壓(yā)力損失(shī)的比例上升了(le)12.06%.葉輪(lún)支座(zuò)的壓(yā)力損失約占總壓力損失的1/4,其(qí)壓力損失(shī)比例(lì)随流(liú)量(liàng)的增加(jiā)基(jī)本(běn)不變.随着(zhe)流量的增加葉(yè)輪産(chǎn)生的壓力損失比例降幅(fú)明顯(xiǎn).
　　通過數值(zhí)模拟(nǐ)分(fèn)析得出(chū)速度的分布和變化與壓(yā)力損(sǔn)失大小(xiǎo)相關,通(tōng)過優(yōu)化流量計(jì)流道内(nèi)的速度(dù)分布(bù)可降低流(liú)量計的壓(yā)力損(sǔn)失,後(hòu)續相關的渦輪流量計優化(huà)研究可(kě)從優(yōu)化其流道内速(sù)度分布(bù)人手.

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