在(zài)天然(rán)氣的(de)采集(jí)、處理、儲存、運輸(shū)和分(fèn)配過程中(zhōng)，需要(yào)數以(yǐ)百萬(wàn)計的流(liú)量(liàng)計，它(tā)既是(shì)天然(rán)氣供需雙(shuāng)方貿易結(jié)算的(de)依據，也是(shì)生産部門用氣效率的(de)主要技(jì)術指标，因此對(duì)流(liú)量(liàng)計(jì)測量準(zhǔn)确度和可靠性(xìng)有很高的要求(qiú)。 氣體渦(wō)輪(lún)流量(liàng)計 屬(shǔ)于速(sù)度式流量計，是應用于燃(rán)氣(qì)貿(mào)易計(jì)量的三(sān)大流量儀表(biǎo)之一(yī)。由于(yú)具有(yǒu)重複性好、量(liàng)程(chéng)範(fàn)圍寬、适(shì)應性強(qiáng)、精度(dù)高、對流量變化反(fǎn)應靈敏、輸出脈沖信(xìn)号、複現性(xìng)好和(hé)體積小等(děng)特點，氣體渦輪(lún)流量計近(jìn)年來(lái)已在石(shí)油(yóu)、化工(gōng)和天然氣等領(lǐng)域獲得廣泛的(de)應用。
   随(suí)着(zhe) 渦輪(lún)流量(liàng)計 在管道(dào)計量(liàng)領域的廣(guǎng)泛使(shǐ)用，天然氣(qì)管道輸送(sòng)過程(chéng)中的(de)能耗成爲(wèi)不容忽視(shì)的問題，而(ér)天(tiān)然氣管(guǎn)道輸(shū)送過程中(zhōng)的壓力損失是(shì)産生能源(yuán)消耗的主(zhǔ)要原(yuán)因之(zhī)一。爲(wèi)保證天然(rán)氣能順利(lì)輸送(sòng)至用(yòng)戶(hù)端(duān)，就需要提(tí)高各(gè)壓氣(qì)站的輸(shū)送(sòng)壓力并盡量(liàng)減少管道輸送過程中(zhōng)的(de)壓力(lì)損失，而(ér)各級管道上的(de)計量流量計所(suǒ)造成的壓(yā)力損失占有很大比重。因此，氣體渦輪流量計的壓(yā)力損失研(yán)究對(duì)節能(néng)減排和推(tuī)動我(wǒ)國(guó)燃(rán)氣計(jì)量(liàng)儀(yí)表産(chǎn)業的(de)發展(zhǎn)具有較好的推動作(zuò)用。
   近年來，越(yuè)來越多(duō)的學者采用數(shù)值模拟仿真方(fāng)法對(duì)渦輪流量計進行研究，如xu、liu、 等學(xué)者均通過數值(zhí)計算形式模(mó)拟流(liú)量計内(nèi)部流(liú)動，并與實(shí)驗比較(jiào)驗證了(le)模拟結(jié)果的正确性(xìng)。應用(yòng)s－a、标準(zhǔn)k－ε、rngk－ε、realizable　k－ε和(hé)标準k－ω這5種湍流模型對渦(wō)輪(lún)流量計(jì)進(jìn)行三(sān)維數(shù)值模(mó)拟，并(bìng)将應(yīng)用各(gè)湍流模型得出的仿(páng)真儀表系數與(yǔ)實流(liú)标定(dìng)值進(jìn)行對比(bǐ)和(hé)分析(xī)，這對(duì)數值模拟(nǐ)計算選取湍流(liú)模型給(gěi)出了一(yī)定參考。
   目(mù)前，渦輪流(liú)量(liàng)計的優(yōu)化主(zhǔ)要通過改(gǎi)良其(qí)導流件、葉(yè)輪、軸承、非(fēi)磁電(diàn)信号檢出(chū)器等(děng)部件的(de)結構尺(chǐ)寸和(hé)加工工藝(yì)，來(lái)改善流量計(jì)測量(liàng)氣體、高(gāo)粘(zhān)度流體和小流量時的特性。對(duì)降低渦輪流量(liàng)傳感(gǎn)器粘(zhān)度變(biàn)化敏(mǐn)感度進行(háng)了研究。sun等采用(yòng)了standard　k－ε湍流模(mó)型數值模拟口徑爲(wèi)15mm的渦輪(lún)流量計(jì)的内(nèi)部流動，結果表明壓力損失受到前端和(hé)後端形(xíng)狀、導流體半徑、導(dǎo)流體(tǐ)的導流片和渦(wō)輪葉(yè)片(piàn)厚度的(de)影響.雖(suī)然(rán)對氣(qì)體渦(wō)輪(lún)流量計(jì)的流動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗測量和(hé)數(shù)值(zhí)計算，發現(xiàn)前導流器的(de)結構變(biàn)化對後面各部(bù)件内的氣體流(liú)動速度梯(tī)度和壓力(lì)恢複也有(yǒu)明顯影響(xiǎng)，使總(zǒng)壓力(lì)損失進一步(bù)放大或減小，但對(duì)流(liú)量(liàng)計的(de)其它部件(jiàn)未進行分析。本文将(jiāng)對一種型号氣(qì)體渦輪流量計(jì)各部件的(de)壓力(lì)損失(shī)與流量的關系進(jìn)行分析(xī)研究(jiū)，以提出其(qí)優(yōu)化思(sī)路(lù)。
1 渦輪(lún)流量(liàng)計的基本(běn)結構及工作原理
   本(běn)文(wén)采用80mm口(kǒu)徑氣體渦輪流量計作爲研究(jiū)對象，對其(qí)進行(háng)内部流道(dào)的壓(yā)力損失數(shù)值模(mó)拟。
   氣(qì)體(tǐ)渦輪流量計結構(gòu)示意(yì)圖如圖1。氣體(tǐ)渦(wō)輪流量計實物(wù)如圖2，其(qí)中圖2（a）爲(wèi)渦輪(lún)流(liú)量(liàng)計實(shí)物圖(tú)，圖2（b）爲渦輪(lún)流量計機芯(xīn)葉(yè)輪實物(wù)圖。


   氣(qì)體渦輪流(liú)量計(jì)的原理是，氣體(tǐ)流過流量(liàng)計推動渦(wō)輪葉片旋(xuán)轉，利用置(zhì)于流(liú)體中(zhōng)的(de)葉(yè)輪的旋(xuán)轉角速(sù)度與流(liú)體流速(sù)成比(bǐ)例的關系(xì)，通過測量葉輪(lún)轉速來得(dé)到流(liú)體流速，進(jìn)而得(dé)到管(guǎn)道内的流(liú)量值。渦輪(lún)流量(liàng)計輸(shū)出的脈沖(chòng)頻率f與所測(cè)體(tǐ)積流量(liàng)qv成正比(bǐ)，即

式（1）中：k—流(liú)量計的儀(yí)表系(xì)數。
根(gēn)據運動定(dìng)律可(kě)以寫(xiě)出葉輪(lún)的(de)運動方(fāng)程(chéng)爲

式（2）中：j—葉輪(lún)的轉動(dòng)慣量；t—時間(jiān)；ω—葉輪(lún)的轉速；tr—推動力(lì)矩；trm—機械(xiè)摩(mó)擦阻(zǔ)力矩(jǔ)；trf—流動阻力(lì)矩；tre—電磁阻力矩。
2 計算模型(xíng)
2.1 數學(xué)模型
   設(shè)定渦輪(lún)流量計數值(zhí)模(mó)拟的工作介質(zhì)爲空氣(qì)，流動處(chù)于湍流(liú)流動，數值模拟(nǐ)湍流模(mó)型采用(yòng)realizable k－ε模型，該(gāi)模型(xíng)适用(yòng)于模(mó)拟計算旋轉流動、強(qiáng)逆壓(yā)梯度(dù)的邊界(jiè)層(céng)流動(dòng)、流動(dòng)分離和二(èr)次流(liú)等，其(qí)模型(xíng)方程表(biǎo)示爲：
——各(gè)向流速平均值(zhí)；a—聲速(sù)；μ—動力粘性(xìng)系數(shù)；υ—運動粘性(xìng)系數(shù)；k—湍(tuān)流動能(néng)；ε—湍流耗散(sàn)率；βt—膨脹系(xì)數；ωk—角速度； —時(shí)均轉動速率張量；如不考(kǎo)慮(lǜ)浮力影響(xiǎng)gb＝0，如流動不可壓縮， ＝0，ym＝0。
2.2 流(liú)體區域網格劃(huà)分
   使用(yòng)solidworks三維設(shè)計軟件(jiàn)依照實(shí)物尺寸(cùn)對(duì)渦輪(lún)流量計(jì)各部件進行(háng)建模及組(zǔ)裝，簡化主軸、取(qǔ)壓孔和(hé)加油孔等對流體(tǐ)區域影響較小(xiǎo)的部(bù)分。
   先(xiān)對機芯部(bù)分做(zuò)布爾運算(suàn)得到純流(liú)體區(qū)域，然後(hòu)對葉輪(lún)外加包絡體形(xíng)成旋(xuán)轉區域，在機芯進出(chū)口前(qián)後均加上(shàng)15倍機(jī)芯口(kǒu)徑(jìng)的(de)直管(guǎn)段，以保證進出(chū)口流動爲充分(fèn)發展(zhǎn)湍流。
   全部(bù)流體區域(yù)包括(kuò)前後直(zhí)管段、葉(yè)輪包絡(luò)體以及機芯(xīn)部分的流體區域。用gambit軟件(jiàn)對三維模型進(jìn)行網格劃(huà)分，對(duì)流體區(qū)域中的(de)小面和尖(jiān)角等(děng)難以生成網格(gé)的部分進(jìn)行優(yōu)化和簡化處理(lǐ)，流體區(qū)域使用非結(jié)構化混合(hé)網格，并對(duì)機芯(xīn)流道内葉輪等流動情況(kuàng)較複雜區(qū)域進行了(le)局部(bù)加密，如圖3。其中圖3（a）爲機芯(xīn)流體區(qū)域(yù)網(wǎng)格(gé)圖，圖3（b）爲葉(yè)輪網(wǎng)格圖，整(zhěng)體網格總數(shù)量約230萬。

2.3 數(shù)值模拟(nǐ)仿(páng)真條(tiáo)件設置
   數值計(jì)算時，爲方便模拟(nǐ)結(jié)果(guǒ)與實驗(yàn)結果的對比(bǐ)，環(huán)境溫(wēn)度、濕(shī)度和(hé)壓力設(shè)置(zhì)與實驗工況相同，流(liú)體介質選擇空(kōng)氣，空氣的(de)密(mì)度ρ和動力粘(zhān)度η根(gēn)據rasmussen提出(chū)的計算(suàn)規程拟(nǐ)合推導(dǎo)出的(de)簡(jiǎn)化公式(shì)（5）和（6）計算獲(huò)得(dé)：
式（5）（6）中：t—溫度；p—壓力；h—濕(shī)度。
   求解器(qì)采用(yòng)分離、隐式、穩态(tài)計算方法(fǎ)，湍流模型(xíng)選擇realizable　k－ε湍流模型，壓力(lì)插值選擇body force weighted格式，湍流(liú)動能、湍(tuān)流耗散(sàn)項和動(dòng)量方程(chéng)均采用二階迎(yíng)風格式(shì)離(lí)散，壓(yā)力與速度的耦(ǒu)合采(cǎi)用(yòng)simplec算法求(qiú)解，其餘設(shè)置均采用(yòng)fluent默認值。
   計算區(qū)域管(guǎn)道入口采用(yòng)速度入(rù)口邊(biān)界條(tiáo)件，速(sù)度方向垂直于(yú)入口直管(guǎn)段截面.出口邊(biān)界條件采用壓力出(chū)口。葉輪包絡體(tǐ)設(shè)置爲動(dòng)流動(dòng)區域，其餘爲靜(jìng)流動區(qū)域(yù)，采用interface邊界條件作爲分界面，對于旋轉(zhuǎn)部分和靜止(zhǐ)部分(fèn)之間(jiān)的耦(ǒu)合采(cǎi)用(yòng)多(duō)重參(cān)考坐标模型（mrf）。葉(yè)輪采(cǎi)用(yòng)滑移邊(biān)界(jiè)條件(jiàn)且相對(duì)于附(fù)近旋(xuán)轉流(liú)體區域速(sù)度爲零。葉輪(lún)轉(zhuǎn)速是通過(guò)使用fluent軟件中的turbotopol－ogy與turbo　report功能，不(bú)斷調整葉(yè)輪轉速，觀察(chá)葉輪轉(zhuǎn)速是否(fǒu)達(dá)到力矩平衡來确定(dìng)的(de)。
3 數值模(mó)拟結(jié)果分析(xī)
   在流量(liàng)計流(liú)量範(fàn)圍内(nèi)選取(qǔ)了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這6個流(liú)量點進行同工(gōng)況環境數值模(mó)拟，得到氣體渦輪流(liú)量計的内(nèi)部流(liú)場(chǎng)和壓力分布(bù)等數據。進(jìn)口橫截(jié)面取于(yú)前整(zhěng)流器前10mm處，出口橫截(jié)面取(qǔ)于後導流體後(hòu)10mm處。計(jì)算(suàn)渦輪流量計進出口橫(héng)截面(miàn)上的(de)壓力(lì)差，即得到流量(liàng)計的壓力損失。
圖4爲(wèi)流量與壓(yā)力損失之間的(de)關系曲線(xiàn)，圖中實驗(yàn)值是(shì)在工況條件下使用音速(sù)噴嘴(zuǐ)法氣體流量标準裝(zhuāng)置測得(dé)。

   根(gēn)據圖(tú)4中壓力(lì)損失随流量的變(biàn)化趨勢，可以将流量(liàng)與(yǔ)壓(yā)力損(sǔn)失之(zhī)間的(de)關系拟合曲線爲二(èr)次多(duō)項式，其表達式(shì)爲

   這與流量計(jì)的壓(yā)力損失計(jì)算公式（8）趨勢相符，均爲二次函數，且(qiě)數值(zhí)模拟(nǐ)結果與(yǔ)實(shí)驗結(jié)果吻合得(dé)較好(hǎo)，說明(míng)渦輪(lún)流量(liàng)計的内部流場數值模(mó)拟(nǐ)方法及結果是可行且可靠的。流量(liàng)計的(de)壓力損失(shī)計算公式(shì)爲

式(shì)（8）中：Δp—壓力損(sǔn)失；α—壓(yā)力損(sǔn)失系(xì)數；υ—管(guǎn)道(dào)平均流速。
   以(yǐ)流量(liàng)q＝250m3/h的數(shù)值模(mó)拟計算結(jié)果爲(wèi)例進(jìn)行渦輪流(liú)量計内部(bù)流場(chǎng)及(jí)壓力場的分(fèn)析.圖5爲渦(wō)輪流(liú)量計軸向(xiàng)剖面(miàn)靜壓分布圖.前(qián)導流器前後的壓力場(chǎng)分布較(jiào)均勻且壓(yā)力梯(tī)度較(jiào)小，在機芯(xīn)殼體(tǐ)與葉(yè)輪支座連接凸台處(chù)壓力(lì)有所增加(jiā)，連接面後壓力(lì)又逐漸(jiàn)減小.故(gù)認爲流(liú)體流經(jīng)葉輪(lún)支座産生(shēng)壓(yā)力(lì)損失(shī)的主要原(yuán)因是連接(jiē)處存在(zài)凸(tū)台，導(dǎo)緻流場出現較(jiào)大變(biàn)化，不能平滑過(guò)渡，建(jiàn)議将(jiāng)葉輪支(zhī)座(zuò)與機芯殼(ké)體的(de)連接(jiē)改爲圓弧線型(xíng)或流(liú)線型。
   觀察(chá)圖5和圖6，當流體(tǐ)流經(jīng)葉輪(lún)從(cóng)後導流器流出渦(wō)輪流(liú)量計時，壓(yā)力梯度變化明(míng)顯，存在負壓區(qū)域并造成很(hěn)大(dà)的壓(yā)降，在後導(dǎo)流器凸(tū)台及流量計(jì)出口處速度變化明顯，由(yóu)于氣流通過後(hòu)導流器後(hòu)流道突擴(kuò)，在後導流(liú)器背(bèi)面形成明顯(xiǎn)的低(dī)速渦區(qū)，産生了漩(xuán)渦(wō)二(èr)次流。

   結合(hé)圖7、圖(tú)8流量計(jì)軸(zhóu)向剖(pōu)面和出(chū)口橫截(jié)面的(de)總壓及速度分(fèn)布圖，其速(sù)度分布與壓力(lì)分布相似，流量(liàng)計流道内速度分布較均勻的(de)區域其(qí)壓(yā)力梯(tī)度變(biàn)化也較小(xiǎo)，即流道(dào)内(nèi)速度的分(fèn)布和變化(huà)與壓力損失大(dà)小相關。由流量(liàng)計軸向剖(pōu)面和(hé)出口(kǒu)橫截面的速度及(jí)壓力分(fèn)布圖可以看出(chū)，流量計後(hòu)導流(liú)器處(chù)産生(shēng)的漩(xuán)渦二次(cì)流影響(xiǎng)了出(chū)口(kǒu)橫截面(miàn)處的速(sù)度及壓(yā)力分(fèn)布(bù)


   流量計(jì)各部件的(de)壓力(lì)損失随(suí)流(liú)量變(biàn)化的(de)趨(qū)勢與流(liú)量(liàng)計總壓(yā)力損(sǔn)失随流量的變(biàn)化趨勢相同，其(qí)拟合公式爲系數不同(tóng)的二次多項式(shì)。各部件的壓(yā)力損(sǔn)失(shī)與流量呈(chéng)二次函(hán)數關系(xì)，随着流量的(de)增加，壓力(lì)損失顯著增加(jiā)。

   觀察圖10各部件(jiàn)壓力(lì)損失百分比圖，可見(jiàn)前整(zhěng)流器、前(qián)導流器和機(jī)芯殼體處(chù)的壓力損失很(hěn)小，葉輪支(zhī)座處(chù)壓力(lì)損失約占(zhàn)總壓力損失的(de)1/4。前整流(liú)器(qì)所占(zhàn)壓力(lì)損失(shī)比(bǐ)例在各(gè)流量(liàng)點基(jī)本保持不(bú)變，前(qián)導流(liú)器和(hé)機芯殼體處的壓力(lì)損失随流量的(de)增加其比例略(luè)有降低，葉輪支座處壓(yā)力損失随流(liú)量的(de)增加(jiā)其比例略有增(zēng)加，但(dàn)總體上受流量(liàng)影響不大。葉輪(lún)處的壓力損失随流量從(cóng)13m3/h增加至(zhì)250m3/h，其比例(lì)從15.88%降(jiàng)至(zhì)8.71%，降幅明(míng)顯.後導流器處(chù)的壓力損失占總壓力損失的(de)大半(bàn)，随着(zhe)流量(liàng)從13m3/h增加至250m3/h其壓(yā)力損失(shī)比例由43.77%升至55.83%，增幅明顯(xiǎn)。總之，後導(dǎo)流器(qì)、葉輪支座和(hé)葉(yè)輪是流體流經(jīng)渦輪流量計産生壓力損(sǔn)失的(de)主要影響部件(jiàn)，可通過優化其結構(gòu)以降低渦(wō)輪流量計的總(zǒng)壓力損失。

4 結語(yǔ)
   本文采用fluent軟件(jiàn)對一(yī)口徑爲80mm的(de)渦輪(lún)流量(liàng)計内(nèi)部進行(háng)了數值(zhí)模拟(nǐ)計(jì)算，分析(xī)内部流(liú)場、壓力(lì)場及各部(bù)件産(chǎn)生的(de)壓力損失(shī)，得出以下結論(lùn)：
1）漩渦二(èr)次流是(shì)産(chǎn)生能量(liàng)消耗(hào)的主要原因，故建議(yì)對渦(wō)輪流量計(jì)葉(yè)輪支座(zuò)及後導流(liú)器進(jìn)行幾何(hé)參數的(de)優化，将(jiāng)其(qí)凸台(tái)邊緣(yuán)改(gǎi)爲流線(xiàn)型以減(jiǎn)少。流道(dào)突擴(kuò)的影響，減(jiǎn)少後導流(liú)器葉(yè)片厚度并(bìng)增加(jiā)其長度及數量(liàng)以減弱氣體螺(luó)旋狀(zhuàng)流動(dòng)，減弱(ruò)漩渦二(èr)次(cì)流，達(dá)到降低(dī)流(liú)量計(jì)壓力(lì)損失(shī)的目(mù)的。
2）分(fèn)析各(gè)部件對壓(yā)力(lì)損失的(de)影響，其壓(yā)力損(sǔn)失與流量成二(èr)次函數關系。後(hòu)導流器(qì)相對于(yú)其他(tā)部件是壓(yā)力損失的主要(yào)因素(sù)，約占(zhàn)總壓力損失的一半，随着流(liú)量(liàng)的增(zēng)加其壓力損失(shī)占總(zǒng)壓力損失(shī)的比例上升了(le)12.06%。葉輪支座(zuò)的壓力損(sǔn)失約占總(zǒng)壓力損失的1/4，其壓力損失比例(lì)随流量的增(zēng)加基本(běn)不變。随着流量的增(zēng)加葉(yè)輪産(chǎn)生的壓力(lì)損(sǔn)失比(bǐ)例降幅(fú)明顯。
通過(guò)數(shù)值(zhí)模拟分(fèn)析得出(chū)速度的(de)分(fèn)布和(hé)變化(huà)與壓力損(sǔn)失大小相關，通(tōng)過優化流量(liàng)計(jì)流道(dào)内的速度(dù)分布可(kě)降低流(liú)量計的壓力損(sǔn)失(shī)，後續相(xiàng)關的(de)渦輪(lún)流量計優(yōu)化研究可從優化其流(liú)道(dào)内速(sù)度分布入(rù)手。

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