在天然(ran)氣的采(cai)集、處理(li)、儲存、運(yun)輸和分(fen)配過程(cheng)中，需要(yao)數以🧡百(bai)萬計的(de)流量計(ji)，它既是(shi)天然氣(qi)供需雙(shuang)方貿易(yi)結算的(de)依❗據，也(ye)♻️是生産(chan)部門用(yong)氣效率(lü)的主要(yao)技術指(zhi)标，因此(ci)對流量(liang)計測量(liang)準确度(du)和可靠(kao)性有很(hen)高的要(yao)求。 氣體(ti)渦輪流(liu)量計 屬(shu)于速度(du)式流量(liang)計，是應(ying)用于燃(ran)氣貿易(yi)計量的(de)三大💔流(liu)😄量儀表(biao)之一。由(you)于具有(you)重複性(xing)好、量程(cheng)範圍寬(kuan)🚶、适應🏃🏻‍♂️性(xing)強💞、精度(du)高、對流(liu)量變化(hua)反應靈(ling)敏、輸出(chu)脈沖信(xin)号、複現(xian)性好和(he)體積小(xiao)等特點(dian)，氣體渦(wo)輪流量(liang)計近年(nian)來已在(zai)石油、化(hua)工和天(tian)然氣等(deng)領域獲(huo)得廣泛(fan)的應用(yong)。
   随着 渦(wo)輪流量(liang)計 在管(guan)道計量(liang)領域的(de)廣泛使(shi)用，天然(ran)氣管道(dao)輸送過(guo)程中的(de)能耗成(cheng)爲不容(rong)忽視的(de)問題，而(er)天然氣(qi)管道🧡輸(shu)送過程(cheng)🌈中的壓(ya)力損失(shi)是産生(sheng)能源消(xiao)耗的主(zhu)要原因(yin)之💃一。爲(wei)保⛱️證天(tian)然氣能(neng)順⭕利輸(shu)送至用(yong)戶端，就(jiu)需要提(ti)高各壓(ya)氣站👈的(de)輸送壓(ya)力并盡(jin)量減少(shao)管道🙇‍♀️輸(shu)送過程(cheng)中的壓(ya)力損失(shi)，而各級(ji)管道上(shang)的計量(liang)流‼️量計(ji)所造成(cheng)的壓力(li)損失占(zhan)有很大(da)比重。因(yin)此，氣體(ti)渦輪流(liu)量計的(de)壓🌍力損(sun)失研究(jiu)對節能(neng)減排和(he)推動我(wo)國燃氣(qi)計量儀(yi)表産業(ye)的發展(zhan)具有較(jiao)好的推(tui)動㊙️作用(yong)。
   近年來(lai)，越來越(yue)多的學(xue)者采用(yong)數值模(mo)拟仿真(zhen)方法對(dui)渦輪🐆流(liu)量🔞計進(jin)行研究(jiu)，如XU、LIU、 等學(xue)者均通(tong)過數值(zhi)計算形(xing)式模拟(ni)流量計(ji)内部流(liu)動，并與(yu)實驗比(bi)較驗證(zheng)了模拟(ni)結果的(de)😘正确性(xing)🌈。應用S－A、标(biao)準k－ε、RNGk－ε、Realizable　k－ε和标(biao)準k－ω這5種(zhong)湍流模(mo)型對渦(wo)輪流量(liang)計進行(hang)三維數(shu)值模拟(ni)，并将應(ying)用🌐各湍(tuan)流模型(xing)得出的(de)仿真儀(yi)表系數(shu)與實流(liu)标定值(zhi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻進行對(dui)比和分(fen)析，這對(dui)數值模(mo)拟計算(suan)選取湍(tuan)流模型(xing)給出了(le)一定參(can)考。
   目前(qian)，渦輪流(liu)量計的(de)優化主(zhu)要通過(guo)改良其(qi)導流件(jian)🤞、葉輪、軸(zhou)承、非磁(ci)電信号(hao)檢出器(qi)等部件(jian)的結構(gou)尺寸和(he)加工工(gong)藝，來改(gai)善流量(liang)計測量(liang)氣體、高(gao)粘度流(liu)體❗和小(xiao)流量時(shi)的特性(xing)。對降低(di)渦輪流(liu)量傳感(gan)器粘度(du)變化敏(min)感度進(jin)行了研(yan)究。SUN等采(cai)用了Standard　k－ε湍(tuan)流模型(xing)數值模(mo)拟口徑(jing)爲15mm的渦(wo)輪流量(liang)計的内(nei)部流動(dong)，結果表(biao)明壓力(li)損失受(shou)到前端(duan)和後端(duan)形狀、導(dao)流體半(ban)徑、導流(liu)體的導(dao)流片和(he)渦輪葉(ye)片✌️厚度(du)的影響(xiang).雖然對(dui)氣體渦(wo)輪流量(liang)計的流(liu)動進行(hang)實驗測(ce)量和數(shu)值計算(suan)，發🐆現前(qian)導流器(qi)的結構(gou)變化對(dui)後面各(ge)部件内(nei)的氣體(ti)流動速(su)度梯度(du)和壓力(li)恢❗複也(ye)有明顯(xian)影響，使(shi)總壓🏒力(li)損失進(jin)一步放(fang)大或減(jian)小，但對(dui)流量計(ji)的其它(ta)部件未(wei)進行分(fen)析。本文(wen)将對一(yi)種型号(hao)氣體渦(wo)輪流量(liang)計各部(bu)件的壓(ya)力損失(shi)與流量(liang)的關系(xi)💁進行分(fen)析研究(jiu)，以提出(chu)其優化(hua)思路。
1 渦(wo)輪流量(liang)計的基(ji)本結構(gou)及工作(zuo)原理
   本(ben)文采用(yong)80mm口徑氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)作爲研(yan)究對象(xiang)，對其進(jin)👅行内🐇部(bu)🐕流道的(de)壓力損(sun)失數值(zhi)模拟。
   氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)結構示(shi)意圖如(ru)圖1。氣體(ti)渦輪流(liu)量計實(shi)😄物如🌈圖(tu)🈲2，其中圖(tu)2（a）爲渦輪(lun)流量計(ji)實物圖(tu)，圖2（b）爲渦(wo)輪流☎️量(liang)計機芯(xin)葉輪實(shi)物圖。


   氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)的原理(li)是，氣體(ti)流過流(liu)量計推(tui)動⛹🏻‍♀️渦輪(lun)葉片旋(xuan)轉，利用(yong)置于流(liu)體中的(de)葉輪的(de)旋轉角(jiao)速度與(yu)流體流(liu)速成比(bi)例的關(guan)系，通過(guo)測量葉(ye)輪轉速(su)來得到(dao)流體😄流(liu)速，進而(er)得到管(guan)道内的(de)流量值(zhi)。渦輪流(liu)量計輸(shu)出的脈(mo)沖頻率(lü)f與所測(ce)體積流(liu)量qv成正(zheng)⛱️比，即

式(shi)（1）中：k—流量(liang)計的儀(yi)表系數(shu)。
根據運(yun)動定律(lü)可以寫(xie)出葉輪(lun)的運動(dong)方程爲(wei)

式（2）中：J—葉(ye)輪的轉(zhuan)動慣量(liang)；t—時間；ω—葉(ye)輪的轉(zhuan)速；Tr—推動(dong)力矩；Trm—機(ji)械摩擦(ca)阻力矩(ju)；Trf—流動阻(zu)力矩；Tre—電(dian)磁阻力(li)矩。
2 計算(suan)模型
2.1 數(shu)學模型(xing)
   設定渦(wo)輪流量(liang)計數值(zhi)模拟的(de)工作介(jie)質爲空(kong)氣，流動(dong)處于湍(tuan)流流動(dong)，數值模(mo)拟湍流(liu)模型采(cai)用Realizable K－ε模型(xing)，該🔆模型(xing)‼️适用于(yu)模拟計(ji)算旋❗轉(zhuan)流動、強(qiang)逆壓梯(ti)度的邊(bian)界層流(liu)動、流動(dong)分離和(he)📞二次流(liu)等，其模(mo)型方程(cheng)表示爲(wei)：
——各向流(liu)速平均(jun)值；a—聲速(su)；μ—動力粘(zhan)性系數(shu)；υ—運動粘(zhan)性系數(shu)；K—湍流動(dong)能；ε—湍流(liu)耗散率(lü)；βT—膨脹系(xi)數；ωk—角速(su)度； —時均(jun)轉動速(su)率張量(liang)；如不考(kao)慮浮力(li)影響Gb＝0，如(ru)流動不(bu)可壓縮(suo)， ＝0，YM＝0。
2.2 流體區(qu)域網格(ge)劃分
   使(shi)用Solidworks三維(wei)設計軟(ruan)件依照(zhao)實物尺(chi)寸對渦(wo)輪流量(liang)計各部(bu)件🙇🏻進行(hang)建模及(ji)組裝，簡(jian)化主軸(zhou)、取壓孔(kong)和加油(you)孔等對(dui)流體區(qu)♻️域影響(xiang)較小的(de)部分。
   先(xian)對機芯(xin)部分做(zuo)布爾運(yun)算得到(dao)純流體(ti)區域，然(ran)後對葉(ye)輪外加(jia)🥰包絡體(ti)形成旋(xuan)轉區域(yu)，在機芯(xin)進出口(kou)前後均(jun)加上15倍(bei)機芯口(kou)徑的直(zhi)管段，以(yi)保證進(jin)出口流(liu)動爲充(chong)分發展(zhan)湍流。
   全(quan)部流體(ti)區域包(bao)括前後(hou)直管段(duan)、葉輪包(bao)絡體以(yi)及機💞芯(xin)部⭐分🤩的(de)流體區(qu)域。用Gambit軟(ruan)件對三(san)維模型(xing)進行網(wang)格劃分(fen)，對流體(ti)區域中(zhong)的小面(mian)和尖角(jiao)等難以(yi)生成🈲網(wang)格的❓部(bu)分進行(hang)優化和(he)簡化處(chu)理，流體(ti)區域使(shi)用非結(jie)構化混(hun)合網格(ge)，并對機(ji)芯流道(dao)内葉輪(lun)等流動(dong)情況較(jiao)複雜🈚區(qu)域進行(hang)了局部(bu)加密，如(ru)圖3。其中(zhong)圖3（a）爲機(ji)芯流體(ti)區域網(wang)格圖，圖(tu)3（b）爲葉輪(lun)網格圖(tu)，整體網(wang)格總數(shu)量約230萬(wan)。

2.3 數值模(mo)拟仿真(zhen)條件設(she)置
   數值(zhi)計算時(shi)，爲方便(bian)模拟結(jie)果與實(shi)驗結果(guo)的對比(bi)，環境✌️溫(wen)度、濕⛹🏻‍♀️度(du)和壓力(li)設置與(yu)實驗工(gong)況相同(tong)，流體🚶介(jie)質選擇(ze)空氣，空(kong)氣的密(mi)🐅度ρ和動(dong)力粘度(du)η根據Rasmussen提(ti)出的計(ji)算規程(cheng)拟❤️合推(tui)導出的(de)簡化公(gong)式（5）和（6）計(ji)算獲得(de)：
式（5）（6）中：T—溫(wen)度；P—壓力(li)；H—濕度。
   求(qiu)解器采(cai)用分離(li)、隐式、穩(wen)态計算(suan)方法，湍(tuan)流模型(xing)選擇💃Realizable　k－ε湍(tuan)流模型(xing)，壓力插(cha)值選擇(ze)Body force weighted格式，湍(tuan)流動能(neng)、湍流耗(hao)散項👅和(he)動量方(fang)程均采(cai)用二階(jie)迎風格(ge)式離散(san)，壓力🔴與(yu)速度🚩的(de)耦合采(cai)用SIMPLEC算法(fa)求解，其(qi)餘設置(zhi)均采用(yong)Fluent默認值(zhi)。
   計算區(qu)域管道(dao)入口采(cai)用速度(du)入口邊(bian)界條件(jian)，速度方(fang)向垂直(zhi)于🔞入口(kou)直管段(duan)截面.出(chu)口邊界(jie)條件采(cai)用壓力(li)出口。葉(ye)輪包絡(luo)體設置(zhi)爲動流(liu)動區域(yu)，其餘爲(wei)🍉靜流動(dong)區域，采(cai)用interface邊界(jie)⭐條件作(zuo)爲分界(jie)🔴面，對于(yu)旋轉部(bu)分和靜(jing)🐇止部分(fen)之間的(de)耦合采(cai)用多重(zhong)參考坐(zuo)标模型(xing)（MRF）。葉輪采(cai)❤️用滑移(yi)邊界條(tiao)件且相(xiang)對于附(fu)近旋轉(zhuan)流體區(qu)域速度(du)爲零。葉(ye)輪轉速(su)是通過(guo)使用FLUENT軟(ruan)件中的(de)TurboTopol－ogy與Turbo　Report功能(neng)，不斷調(diao)整葉輪(lun)轉速，觀(guan)察葉輪(lun)轉速是(shi)否達到(dao)力矩平(ping)衡來确(que)定的。
3 數(shu)值模拟(ni)結果分(fen)析
   在流(liu)量計流(liu)量範圍(wei)内選取(qu)了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這6個(ge)流量點(dian)進行同(tong)工況環(huan)境數🌍值(zhi)模拟，得(de)到氣體(ti)渦輪流(liu)量計的(de)内部流(liu)場和壓(ya)力分布(bu)等數據(ju)。進口橫(heng)截面取(qu)于前整(zheng)流器前(qian)10mm處，出口(kou)橫截面(mian)取于後(hou)導流體(ti)後10mm處。計(ji)算渦輪(lun)流量計(ji)進💔出口(kou)橫截面(mian)上的壓(ya)力差，即(ji)得到流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失👨‍❤️‍👨。
圖4爲(wei)流量與(yu)壓力損(sun)失之間(jian)的關系(xi)曲線，圖(tu)中實驗(yan)值是在(zai)工♻️況🌏條(tiao)件下使(shi)用音速(su)噴嘴法(fa)氣體流(liu)量标準(zhun)裝置測(ce)得。

   根據(ju)圖4中壓(ya)力損失(shi)随流量(liang)的變化(hua)趨勢，可(ke)以将流(liu)量與壓(ya)力🌐損失(shi)之間的(de)關系拟(ni)合曲線(xian)爲二次(ci)多項💁式(shi)，其表達(da)式爲

   這(zhe)與流量(liang)計的壓(ya)力損失(shi)計算公(gong)式（8）趨勢(shi)相符，均(jun)爲🈲二次(ci)函數，且(qie)數值模(mo)拟結果(guo)與實驗(yan)結果吻(wen)合得較(jiao)好，說明(ming)渦輪流(liu)量計的(de)内部流(liu)場數值(zhi)模拟方(fang)法及📱結(jie)果是可(ke)行且可(ke)靠的。流(liu)量計🌈的(de)壓力🏃損(sun)失計算(suan)公式爲(wei)

式（8）中：ΔP—壓(ya)力損失(shi)；α—壓力損(sun)失系數(shu)；υ—管道平(ping)均流速(su)。
   以流量(liang)Q＝250m3/h的數值(zhi)模拟計(ji)算結果(guo)爲例進(jin)行渦輪(lun)流量💛計(ji)内部流(liu)場及壓(ya)力場的(de)分析.圖(tu)5爲渦輪(lun)流量計(ji)軸向剖(pou)面靜💋壓(ya)分布圖(tu).前導🆚流(liu)器前後(hou)的壓力(li)場分布(bu)較均勻(yun)且壓力(li)梯度較(jiao)小，在機(ji)芯殼體(ti)與葉輪(lun)支座連(lian)接凸台(tai)處壓力(li)有所增(zeng)加，連接(jie)面後壓(ya)🐕力又逐(zhu)漸💜減小(xiao).故認爲(wei)流體流(liu)經葉輪(lun)支座産(chan)生壓力(li)損失的(de)♻️主要原(yuan)因是連(lian)接處存(cun)在凸台(tai)，導緻流(liu)場出現(xian)較大變(bian)化，不能(neng)👌平滑過(guo)渡，建議(yi)将葉輪(lun)支🌈座與(yu)機芯殼(ke)體的連(lian)接改爲(wei)圓弧線(xian)💚型或流(liu)線型。
   觀(guan)察圖5和(he)圖6，當流(liu)體流經(jing)葉輪從(cong)後導流(liu)器流出(chu)渦輪流(liu)量🤞計時(shi)，壓力梯(ti)度變化(hua)明顯，存(cun)在負壓(ya)區域并(bing)造成很(hen)大的壓(ya)降，在📞後(hou)導流器(qi)凸台及(ji)流量計(ji)出口處(chu)速度變(bian)化明顯(xian)，由于氣(qi)流通過(guo)後導流(liu)器後流(liu)道突擴(kuo)，在後導(dao)流器背(bei)🐅面形成(cheng)明🌂顯的(de)低速❤️渦(wo)區，産生(sheng)🤞了漩渦(wo)二次流(liu)。

   結合圖(tu)7、圖8流量(liang)計軸向(xiang)剖面和(he)出口橫(heng)截面的(de)總壓及(ji)速度分(fen)布圖，其(qi)速度分(fen)布與壓(ya)力分布(bu)相似，流(liu)量🤩計流(liu)道内速(su)度分布(bu)較均勻(yun)的區域(yu)其壓力(li)梯度變(bian)化也較(jiao)小，即流(liu)道内速(su)度的分(fen)布和變(bian)化與壓(ya)力損失(shi)大小相(xiang)關。由流(liu)量計軸(zhou)向剖面(mian)和出口(kou)橫截面(mian)的速度(du)及壓力(li)分布圖(tu)可以看(kan)出，流量(liang)計後導(dao)流器處(chu)産生的(de)漩渦二(er)❗次流影(ying)響了出(chu)口橫截(jie)面處的(de)🙇🏻速度及(ji)壓力分(fen)布


   流量(liang)計各部(bu)件的壓(ya)力損失(shi)随流量(liang)變化的(de)趨勢與(yu)流量計(ji)總壓力(li)損失随(sui)流量的(de)變化趨(qu)勢相同(tong)，其拟合(he)公式爲(wei)系數不(bu)同的二(er)次多項(xiang)式。各部(bu)件的壓(ya)力損失(shi)與流量(liang)呈二次(ci)函數關(guan)系，随着(zhe)流☁️量的(de)增加，壓(ya)力損失(shi)顯著增(zeng)加。

   觀察(cha)圖10各部(bu)件壓力(li)損失百(bai)分比圖(tu)，可見前(qian)整流器(qi)、前導流(liu)器和機(ji)芯殼體(ti)處的壓(ya)力損失(shi)很小，葉(ye)輪支座(zuo)處壓力(li)損失約(yue)占總壓(ya)力損失(shi)的1/4。前整(zheng)流器所(suo)占壓力(li)損失比(bi)例⚽在各(ge)流量點(dian)基㊙️本保(bao)持不變(bian)，前導流(liu)器和機(ji)芯殼體(ti)處的🈲壓(ya)力損失(shi)随流量(liang)的🍓增加(jia)其比例(li)略有降(jiang)低，葉輪(lun)支座處(chu)壓力損(sun)失随流(liu)量的增(zeng)加其比(bi)例略有(you)🈚增加，但(dan)總體上(shang)受流量(liang)影響不(bu)大。葉輪(lun)♌處的壓(ya)力損失(shi)随流量(liang)從13m3/h增加(jia)至250m3/h，其比(bi)例從15.88%降(jiang)至8.71%，降☂️幅(fu)明顯.後(hou)導流器(qi)處的壓(ya)力損失(shi)占總壓(ya)力損失(shi)的大半(ban)，随着流(liu)量從13m3/h增(zeng)加至250m3/h其(qi)壓力損(sun)失比例(li)由43.77%升至(zhi)55.83%，增幅明(ming)顯。總之(zhi)，後導流(liu)器、葉輪(lun)支座和(he)葉輪是(shi)流體流(liu)經渦輪(lun)流量計(ji)産生壓(ya)力損失(shi)的主要(yao)影響部(bu)件，可通(tong)過優化(hua)其結構(gou)以降低(di)渦輪流(liu)量計的(de)總壓力(li)損失。

4 結(jie)語
   本文(wen)采用Fluent軟(ruan)件對一(yi)口徑爲(wei)80mm的渦輪(lun)流量計(ji)内部進(jin)行✂️了數(shu)值模拟(ni)計算，分(fen)析内部(bu)流場、壓(ya)力場及(ji)各部件(jian)産㊙️生的(de)壓力損(sun)失，得出(chu)以下結(jie)論：
1）漩渦(wo)二次流(liu)是産生(sheng)能量消(xiao)耗的主(zhu)要原因(yin)，故建議(yi)對渦☂️輪(lun)流量㊙️計(ji)葉輪支(zhi)座及後(hou)導流器(qi)進行幾(ji)何參數(shu)的優化(hua)，将其凸(tu)台邊緣(yuan)㊙️改爲流(liu)線型以(yi)減少。流(liu)道💚突擴(kuo)的影響(xiang)，減少後(hou)導流器(qi)葉片厚(hou)度并增(zeng)加其長(zhang)度及數(shu)量以減(jian)弱氣體(ti)螺旋狀(zhuang)流動，減(jian)弱漩渦(wo)二次流(liu)，達到降(jiang)低流量(liang)計壓力(li)損失的(de)目的。
2）分(fen)析各部(bu)件對壓(ya)力損失(shi)的影響(xiang)，其壓力(li)損失與(yu)流量成(cheng)二次✏️函(han)♻️數關系(xi)。後導流(liu)器相對(dui)于其他(ta)部件是(shi)壓力🍉損(sun)失的主(zhu)要因🌂素(su)，約占總(zong)壓力損(sun)失的一(yi)半，随着(zhe)流量的(de)增加其(qi)壓力損(sun)失占總(zong)壓力損(sun)失的比(bi)例上升(sheng)了11.26%。葉輪(lun)支座的(de)壓力損(sun)失約占(zhan)總壓㊙️力(li)損失的(de)1/4，其壓力(li)損失‼️比(bi)例随流(liu)量的增(zeng)加基本(ben)不變。随(sui)着流量(liang)的增加(jia)葉輪産(chan)生的壓(ya)力損失(shi)比例降(jiang)幅明🔴顯(xian)。
通過數(shu)值模拟(ni)分析得(de)出速度(du)的分布(bu)和變化(hua)與壓力(li)🏃‍♀️損⭐失大(da)小相關(guan)，通過優(you)化流量(liang)計流道(dao)内的速(su)度分布(bu)🌈可降低(di)流量計(ji)的壓力(li)損失，後(hou)續相關(guan)的渦輪(lun)流量計(ji)💛優化研(yan)究可從(cong)優化其(qi)流道内(nei)速度分(fen)布入✌️手(shou)。

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