摘(zhai)要：爲優(you)化小流(liu)量渦輪(lun)流量計(ji) 結構,建(jian)立小流(liu)量渦輪(lun)流量計(ji)的數學(xue)模型和(he)三維模(mo)型,通過(guo)其流場(chang)特性進(jin)行仿真(zhen)分析,研(yan)究導流(liu)架🏃🏻端部(bu)的形狀(zhuang)、葉輪與(yu)導流架(jia)之間凹(ao)槽寬度(du)、葉輪面(mian)積和形(xing)狀對葉(ye)輪穩定(ding)旋轉的(de)影響,并(bing)🈚對不同(tong)結構導(dao)流架端(duan)部的小(xiao)流✌️量渦(wo)輪流量(liang)計的流(liu)場特性(xing)進行了(le)分析,圓(yuan)🔴錐形結(jie)構葉輪(lun)的高壓(ya)低速區(qu)面積最(zui)小，能夠(gou)有效✊減(jian)少壓力(li)損失,提(ti)高流量(liang)計的測(ce)量精度(du)。
0引言
　　渦(wo)輪流量(liang)計 是一(yi)種典型(xing)的速度(du)式流量(liang)計,具有(you)精度高(gao)、重複性(xing)好、結構(gou)簡🌐單、在(zai)石油、化(hua)工、航空(kong)航天、電(dian)力等領(ling)域有🔞着(zhe)及其重(zhong)💚要的應(ying)用中。爲(wei)解決氣(qi)液兩相(xiang)流量計(ji)量問題(ti),文😍獻[2]設(she)計♈了一(yi)種雙渦(wo)輪質量(liang)流量計(ji);文獻[3]針(zhen)對傳統(tong)渦輪流(liu)量計需(xu)鋪設電(dian)源線和(he)信♋号傳(chuan)輸電纜(lan),使用不(bu)方便的(de)問題,設(she)⛷️計了一(yi)種基于(yu)ARM單片機(ji)的無線(xian)渦輪流(liu)量計;文(wen)獻[4]采用(yong)3葉片長(zhang)螺旋形(xing)結構設(she)計了一(yi)種🎯新型(xing)的渦輪(lun)流量計(ji);文獻[5]研(yan)究了基(ji)于渦輪(lun)式氣體(ti)流量傳(chuan)感器的(de)呼氣容(rong)量計算(suan)方法;文(wen)獻[6]研究(jiu)了渦👄輪(lun)流量計(ji)變粘度(du)流📞量計(ji)算與校(xiao)準方法(fa);文獻[7]研(yan)究了一(yi)種✉️高壓(ya)氣⭐體渦(wo)輪流量(liang)計。這些(xie)研究推(tui)動了渦(wo)輪流量(liang)計研究(jiu)和應用(yong),随着小(xiao)流量計(ji)量精度(du)要求的(de)不斷提(ti)高，小流(liu)量渦輪(lun)流量計(ji)的流場(chang)特性等(deng)受🆚到關(guan)注。本文(wen)從小流(liu)量渦輪(lun)流量計(ji)設計需(xu)求出發(fa),通過建(jian)立小流(liu)量渦輪(lun)流量計(ji)的數學(xue)模🌐型、三(san)維模型(xing),仿真分(fen)析小流(liu)量渦輪(lun)流📱量計(ji)的流場(chang)特性♌，研(yan)究其優(you)化設計(ji)。
1渦輪流(liu)量傳感(gan)器工作(zuo)原理
　　渦(wo)輪流量(liang)計依靠(kao)流經管(guan)道的流(liu)體對置(zhi)于管道(dao)内葉輪(lun)🏃葉片的(de)沖擊驅(qu)動葉輪(lun)轉動,如(ru)圖1所示(shi)，其核心(xin)♈結構包(bao)括殼體(ti)、前後導(dao)流架、葉(ye)輪、軸承(cheng)和磁鋼(gang)。其中🚶殼(ke)體連接(jie)外部管(guan)道,固定(ding)内部結(jie)構部件(jian),對進入(ru)殼體内(nei)的流體(ti)進行微(wei)📐整流;葉(ye)輪空心(xin)輪毂内(nei)裝磁鋼(gang),兩端裝(zhuang)有軸承(cheng),與導流(liu)架💞.配合(he),保證葉(ye)輪穩定(ding)旋轉,實(shi)現流量(liang)大小🆚的(de)計量。
 
2小(xiao)流量渦(wo)輪流量(liang)計數學(xue)模型
　　流(liu)體流速(su)流量與(yu)葉輪角(jiao)速度成(cheng)比例關(guan)系,通過(guo)對渦.輪(lun)葉片🈚.上(shang)⭕力矩的(de)分析,綜(zong)合小流(liu)量渦輪(lun)流量計(ji)的葉🧑🏽‍🤝‍🧑🏻輪(lun)結⛹🏻‍♀️構特(te)性及其(qi)制造工(gong)藝,依據(ju)動量矩(ju)定理💘得(de)到葉輪(lun)運動🧡方(fang)程爲:
 
　　式(shi)(1)中,J爲葉(ye)輪轉動(dong)動量;ɷ爲(wei)葉輪旋(xuan)轉角速(su)度;Md爲葉(ye)輪驅🌈動(dong)力矩,Mr,爲(wei)葉片表(biao)面粘性(xing)摩擦阻(zu)力矩;Mb爲(wei)軸與軸(zhou)承間的(de)粘性摩(mo)擦阻力(li)矩;Mh爲輪(lun)毂周面(mian)上粘性(xing)摩擦阻(zu)力矩;Mw爲(wei)輪毂端(duan)面上的(de)粘性摩(mo)擦阻力(li)矩;Mt爲葉(ye)片頂端(duan)與殼🚩體(ti)間隙的(de)粘性摩(mo)擦阻力(li)矩;Mm爲電(dian)磁阻力(li)矩和軸(zhou)承上摩(mo)擦阻力(li)矩之和(he)。
式(1)中:
 
　　式(shi)(3)中ρ爲流(liu)體密度(du);Q爲流體(ti)體積流(liu)量;u1爲流(liu)體的軸(zhou)向‼️來流(liu)速度;u2爲(wei)流體流(liu)出時葉(ye)片速度(du);a1爲流體(ti)流人時(shi)🔞與葉⛹🏻‍♀️輪(lun)圓周方(fang)🌍向的夾(jia)角;a2爲流(liu)體流出(chu)葉片與(yu)葉輪圓(yuan)周切向(xiang)的夾角(jiao);如圖2葉(ye)片入口(kou)和出口(kou)的速度(du)平面圖(tu)所示。
　　當(dang)流量恒(heng)定時,式(shi)(3)中ρ、Q、u1、a1爲已(yi)知量,考(kao)慮到葉(ye)輪葉片(pian)旋轉⛱️方(fang)向上流(liu)體進出(chu)口線速(su)度相同(tong),記進出(chu)口線速(su)度分♻️别(bie)設爲Ur1和(he)ur2,ur1=ur2=ur;記流體(ti)與葉輪(lun)葉片出(chu)入口的(de)相對角(jiao)速度分(fen)别爲ɷ1和(he)ɷ2,則圓周(zhou)運動方(fang)向夾角(jiao)β2與葉片(pian)與㊙️軸線(xian)結構夾(jia)角θ之間(jian)有式(4)所(suo)示關系(xi):
 
 
　　式(9)中,ɷh?爲(wei)輪毂處(chu)角速度(du);βw爲平均(jun)相對流(liu)速方向(xiang)與葉輪(lun)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻軸線⭐間(jian)角度;Ah爲(wei)葉片部(bu)分輪毂(gu)面積,R0爲(wei)葉輪所(suo)在🐕殼體(ti)内徑,Rh爲(wei)輪毂半(ban)徑
輪毂(gu)周面粘(zhan)性摩擦(ca)阻力矩(ju)Mhf爲:
 
3渦輪(lun)流量計(ji)三維流(liu)場仿真(zhen)與優化(hua)設計
3.1葉(ye)輪三維(wei)模型建(jian)立
　　基于(yu)上述分(fen)析可見(jian)，葉輪的(de)運動特(te)性主要(yao)受其結(jie)構參數(shu)🙇‍♀️、流⛷️體㊙️粘(zhan)性系數(shu)等影響(xiang)。爲分析(xi)小流量(liang)渦輪結(jie)構的流(liu)場特性(xing),設計參(can)🌂數如表(biao)1所示葉(ye)輪系統(tong),借助UG軟(ruan)件建立(li)其三維(wei)仿真模(mo)型;将該(gai)三維模(mo)型導入(ru)ANSYSWork-bench軟件中(zhong)仿真。
 
　　考(kao)慮到葉(ye)輪的運(yun)動性能(neng)是流量(liang)計量的(de)核心,仿(pang)真中采(cai)用🌈小四(si)面體網(wang)格。小尺(chi)寸窄表(biao)面采用(yong)局部網(wang)格,渦輪(lun)旋轉區(qu)劃分的(de)網格數(shu)約爲230萬(wan),整個模(mo)型劃分(fen)的網💯格(ge)總數❓爲(wei)353萬。
3.2葉輪(lun)流場特(te)性分析(xi)
3.2.1葉輪速(su)度場分(fen)析
　　分别(bie)取流量(liang)爲5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉(ye)輪流場(chang)仿真分(fen)析,獲得(de)上述流(liu)量下葉(ye)輪後導(dao)流架後(hou)端速度(du)矢量圖(tu)(圖3(a),(b),(c)所示(shi)),可見流(liu)體與前(qian)導流架(jia)前端碰(peng)☀️撞産生(sheng)低速區(qu)，靜壓力(li)變🏃🏻‍♂️大,且(qie)随流量(liang)增⭐大而(er)變大,壓(ya)力損失(shi)明顯;流(liu)體進入(ru)前導流(liu)架後,流(liu)速加快(kuai),雷諾數(shu)增加,湍(tuan)流強度(du)變大。流(liu)體進入(ru)葉輪前(qian)，先流經(jing)葉輪與(yu)前後💛導(dao)流架連(lian)接⛱️的槽(cao),由于槽(cao)内♊流速(su)低,此時(shi)流♻️量的(de)速度分(fen)布不均(jun),且有強(qiang)渦流産(chan)生🧡。回流(liu)導葉尾(wei)端速度(du)矢量圖(tu)如圖💋3(d)所(suo)示,流體(ti)在後導(dao)流架後(hou)端出現(xian)長尾流(liu),尾流長(zhang)度随流(liu)量增大(da)而減小(xiao)。
 
 
3.2.2壓力場(chang)分析
　　分(fen)析上述(shu)三個不(bu)同流量(liang)時流道(dao)内壓力(li)場,發現(xian)随着流(liu)量增加(jia),葉輪、導(dao)流架上(shang)遊面形(xing)成的靜(jing)壓變高(gao),葉片上(shang)遊🐕面和(he)♋葉片下(xia)遊面的(de)壓力随(sui)着流量(liang)的增加(jia)而減🚶小(xiao)(如圖4所(suo)示),可見(jian),導流架(jia)端部的(de)形狀、葉(ye)輪與導(dao)流架之(zhi)間凹槽(cao)寬度、葉(ye)輪面積(ji)和形狀(zhuang)對葉輪(lun)穩定旋(xuan)轉均有(you)明顯影(ying)響。
3.3結構(gou)優化設(she)計
3.3.1導流(liu)架頭部(bu)結構設(she)計
　　基于(yu)上述CFD仿(pang)真分析(xi)結果,爲(wei)有效減(jian)小葉輪(lun)壓力.損(sun)失,将原(yuan)導流架(jia)頭部的(de)球形分(fen)别設計(ji)橢球型(xing)和圓㊙️錐(zhui)形,改進(jin)🔴後的導(dao)流架頭(tou)部尺寸(cun)如圖5所(suo)示。
 
3.3.2結構(gou)優化後(hou)葉輪三(san)維流場(chang)特性
　　基(ji)于上述(shu)結構,仿(pang)真流量(liang)爲Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shi)，不同導(dao)流架結(jie)構下葉(ye)輪速度(du)場,由.圖(tu)6可見,圓(yuan)錐形結(jie)構葉輪(lun)的高壓(ya)低速🔱區(qu)面積最(zui)小,其次(ci)是🌂橢圓(yuan)形體,球(qiu)形結構(gou)葉輪的(de)高壓💰低(di)速區面(mian)積最✔️大(da),圓錐形(xing)結構能(neng)夠有效(xiao)減少壓(ya)力損失(shi),提高流(liu)🏃🏻‍♂️量計的(de)測量精(jing)度。在前(qian)導流架(jia)㊙️環狀流(liu)動路徑(jing)中，圓錐(zhui)形流體(ti)的速度(du)☀️分布最(zui)均勻的(de)，橢圓體(ti)結構次(ci)之,球形(xing)結構最(zui)差,圓錐(zhui)結構具(ju)有較好(hao)的整流(liu)效果。
流(liu)量爲Q=5.2184L/min和(he)Q=16.6981L/min時,改進(jin)後導流(liu)架頭部(bu)形狀後(hou)端形成(cheng)的尾流(liu)如圖7所(suo)示。圓錐(zhui)形結構(gou)尾流面(mian)積最小(xiao),橢球形(xing)較小🔴，球(qiu)形結構(gou)📱尾流面(mian)積最大(da),三種形(xing)狀的尾(wei)流中均(jun)有渦流(liu)出現,圓(yuan)錐形💰産(chan)生渦流(liu)最小,壓(ya)力損失(shi)最小。
4結(jie)論
　　本文(wen)從小流(liu)量渦輪(lun)流量計(ji)設計需(xu)求出發(fa),通過建(jian)立小流(liu)量渦輪(lun)流量計(ji)的數學(xue)模型、三(san)維模型(xing),基于小(xiao)流量渦(wo)輪流量(liang)計的流(liu)場特性(xing),優化改(gai)進了其(qi)導流架(jia)結構,所(suo)得結論(lun)如下:
(1)由(you)于流體(ti)對前導(dao)流架沖(chong)擊,會導(dao)緻葉輪(lun)靜壓力(li)變.大,流(liu)道面積(ji)變小,流(liu)速增大(da),經前導(dao)流架進(jin)人葉輪(lun)旋轉區(qu)後随葉(ye)輪旋轉(zhuan)形成旋(xuan)流。
(2) 随着(zhe)流量增(zeng)加,葉輪(lun)、導流架(jia)上遊面(mian)形成的(de)靜壓變(bian)高,葉片(pian)上遊🔴面(mian)和葉片(pian)下遊面(mian)的壓力(li)随着流(liu)量的增(zeng)加.而減(jian)小。
(3)圓錐(zhui)形結構(gou)葉輪的(de)高壓低(di)速區面(mian)積最小(xiao)，能夠有(you)效減少(shao)🌈壓力損(sun)失,提高(gao)流量計(ji)的測量(liang)精度。此(ci)外,在🔴前(qian)導流架(jia)環狀🏃‍♂️流(liu)動路徑(jing)中,圓錐(zhui)形流體(ti)的速度(du)分布最(zui)均勻的(de)，較橢圓(yuan)體🐅球形(xing)導流架(jia)結構,圓(yuan)錐結構(gou)具有最(zui)好✍️的整(zheng)流效🥰果(guo)。

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