[摘要]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)一口徑為80mm的氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行工況條件的數(shù)值模擬研究.通過(guò)計(jì)算,分析了流量計(jì)在不同流量下,各部件包括前整流器.前導(dǎo)流器、機(jī)芯殼體、葉輪支座、葉輪和后.導(dǎo)流器對(duì)壓力損失的影響,給出了各部件的流量與壓力損失的關(guān)系曲線及其壓力損失比例.數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,進(jìn)而從流道內(nèi)的壓力分布和流場(chǎng)分析壓力損失原因并提出減少壓力損失的改進(jìn)思路.
在天然氣的采集、處理、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和分配過(guò)程中,需要數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的流量計(jì),它既是天然氣供需雙方貿(mào)易結(jié)算的依據(jù),也是生產(chǎn)部門用氣效率的主要技術(shù)指標(biāo)，因此對(duì)流量計(jì)測(cè)量正確率和可靠性有要求.
氣體渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì),是應(yīng)用于燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量的三大流量?jī)x表之一，由于具有重復(fù)性好、量程范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、對(duì)流量變化反應(yīng)靈敏、輸出脈沖信號(hào)、復(fù)現(xiàn)性好和體積小等特點(diǎn)，氣體渦輪流量計(jì)近年來(lái)已在石油、化工和天然氣等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用”。
隨著渦輪流量計(jì)在管道計(jì)量領(lǐng)域的廣泛使用,天然氣管道輸送過(guò)程中的能耗成為不容忽視的問(wèn)題，而天然氣管道輸送過(guò)程中的壓力損失是產(chǎn)生能源消耗的主要原因之一.為保證天然氣能順利輸送至用戶端,就需要提高各壓氣站的輸送壓力并盡量減少管道輸送過(guò)程中的壓力損失,而各級(jí)管道上的計(jì)量流量計(jì)所造成的壓力損失占有很大比重，因此,氣體渦輪流量計(jì)的壓力損失研究對(duì)節(jié)能減排和推動(dòng)我國(guó)燃?xì)庥?jì)量?jī)x表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有較好的推動(dòng)作用，
目前，渦輪流量計(jì)的優(yōu)化主要通過(guò)改良其導(dǎo)流件、葉輪，軸承、非磁電信號(hào)檢出器等部件的結(jié)構(gòu)尺寸和加工工藝，來(lái)改善流量計(jì)測(cè)量氣體、高粘度流體和小流量時(shí)的特性.孫立軍[切對(duì)降低渦輪流量傳感器粘度變化敏感度進(jìn)行了研究.SUN等0采用了Standardke湍流模型數(shù)值模擬口徑為15mm的渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流動(dòng),結(jié)果表明壓力損失受到前端和后端形狀、導(dǎo)流體半徑、導(dǎo)流體的導(dǎo)流片和渦輪葉片厚度的影響.劉正先和徐蓮環(huán)回雖然對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的流動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)變化對(duì)后面各部件內(nèi)的氣體流動(dòng)速度梯度和壓力恢復(fù)也有明顯影響,使總壓力損失進(jìn)一步放大或減小,但對(duì)流量計(jì)的其它部件未進(jìn)行分析.本文將對(duì)一種型號(hào)氣體渦輪流量計(jì)各部件的壓力損失與流量的關(guān)系進(jìn)行分析研究，以提出其優(yōu)化思路.
1渦輪流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理
本文采用80mm口徑氣體渦輪流量計(jì)作為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部流道的壓力損失數(shù)值模擬.氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.氣體渦輪流量計(jì)實(shí)物如圖2,其中圖2(a)為渦輪流量計(jì)實(shí)物圖,圖2(b)為渦輪流量計(jì)機(jī)芯葉輪實(shí)物圖.
氣體渦輪流量計(jì)的原理是,氣體流過(guò)流量計(jì)推動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn),利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量葉輪轉(zhuǎn)速來(lái)得到流體流速，進(jìn)而得到管道內(nèi)的流量值[10].渦輪流量計(jì)輸出的脈沖頻率S與所測(cè)體積;流量qv成正比，即
式(2)中:J一葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;t一時(shí)間;ω一葉輪的轉(zhuǎn)速;Tt一推動(dòng)力矩;Trm一機(jī)械摩擦阻力矩;Ttf一流動(dòng)阻力矩;Tre一電磁阻力矩.
2計(jì)算模型
2.1數(shù)學(xué)模型
設(shè)定渦輪流量計(jì)數(shù)值模擬的工作介質(zhì)為空氣.流動(dòng)處于湍流流動(dòng)，數(shù)值模擬湍流模型采用RealizableK-e模型，該模型適用于模擬計(jì)算旋轉(zhuǎn)流動(dòng).強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等,其模型方程表示為11]1:
2.2流體區(qū)域網(wǎng)格劃分
使用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件依照實(shí)物尺寸對(duì)渦輪流量計(jì)各部件進(jìn)行建模及組裝，簡(jiǎn)化主軸、取壓孔和加油孔等對(duì)流體區(qū)城影響較小的部分，
先對(duì)機(jī)芯部分做布爾運(yùn)算得到純流體區(qū)域，然后對(duì)葉輪外加包絡(luò)體形成旋轉(zhuǎn)區(qū)域，在機(jī)芯進(jìn)出口前后均加上15倍機(jī)芯口徑的直管段，以保證進(jìn)出口流動(dòng)為充分發(fā)展湍流.
全部流體區(qū)域包括前后直管段、葉輪包絡(luò)體以及機(jī)芯部分的流體區(qū)域.用Gambit軟件對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)流體區(qū)域中的小面和尖角等難以生成網(wǎng)格的部分進(jìn)行優(yōu)化和簡(jiǎn)化處理，流體區(qū)域使用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，并對(duì)機(jī)芯流道內(nèi)葉輪等流動(dòng)情況較復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行了局部加密，如圖3.其中圖3(a)為機(jī)芯流體區(qū)域網(wǎng)格圖，圖3(b)為葉輪網(wǎng)格圖,整體網(wǎng)格總數(shù)量約230萬(wàn).
2.3數(shù)值模擬仿真條件設(shè)置
數(shù)值計(jì)算時(shí)，為方便模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,環(huán)境溫度、濕度和壓力設(shè)置與實(shí)驗(yàn)工況相同,流體介質(zhì)選擇空氣,空氣的密度ρ和動(dòng)力粘度”根據(jù)Rasmussen提出的計(jì)算規(guī)程擬合推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化公式(5)和(6)計(jì)算獲得：
模型選擇Realizablek-e湍流模型，壓力插值選擇Bodyforceweighted格式,湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)和動(dòng)量方程均采用二階迎風(fēng)格式離散，壓力與速度的耦合采用SIMPLEC算法求解，其余設(shè)置均采用Fluent默認(rèn)值.
計(jì)算區(qū)域管道人口采用速度入口邊界條件，速度方向垂直于人口直管段截面，出口邊界條件采用壓力出口.葉輪包絡(luò)體設(shè)置為動(dòng)流動(dòng)區(qū)域,其余為靜流動(dòng)區(qū)域，采用interface邊界條件作為分界面，對(duì)于旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分之間的耦合采用多重參考坐標(biāo)模型(MRF).葉輪采用滑移邊界條件且相對(duì)于附近旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域速度為零.葉輪轉(zhuǎn)速是通過(guò)使用FLUENT軟件中的TurboTopol-ogy與TurboReport功能，不斷調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速，觀察葉輪轉(zhuǎn)速是否達(dá)到力矩平衡來(lái)確定的。
3數(shù)值模擬結(jié)果分析
在流量計(jì)流量范圍內(nèi)選取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這6個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行同工況環(huán)境數(shù)值模擬，得到氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)和壓力分布等數(shù)據(jù).進(jìn)口橫截面取于前整流器前10mm處，出口橫截面取于后導(dǎo)流體后10mm處.計(jì)算渦輪流量計(jì)進(jìn)出口橫截面上的壓力差，即得到流量計(jì)的壓力損失。
圖4為流量與壓力損失之間的關(guān)系曲線,圖中實(shí)驗(yàn)值是在工況條件下使用音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得.
根據(jù)圖4中壓力損失隨流量的變化趨勢(shì)，可以將流量與壓力損失之間的關(guān)系擬合曲線為二次多項(xiàng)式,其表達(dá)式為
這與流量計(jì)的壓力損失計(jì)算公式(8)趨勢(shì)相符,均為二次函數(shù)，且數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，說(shuō)明渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬方法及結(jié)果是可行且可靠的.流量計(jì)的壓力損失計(jì)算公式為。
式(8)中:△P----壓力損失;α壓力損失系數(shù);υ----管道平均流速.
以流量Q=250m³/h的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)及壓力場(chǎng)的分析.圖5為渦輪流量計(jì)軸向剖面靜壓分布圖.前導(dǎo)流器前后的壓力場(chǎng)分布較均勻且壓力梯度較小，在機(jī)芯殼體與葉輪支座連接凸臺(tái)處壓力有所增加,連接面后壓力又逐漸減小.故認(rèn)為流體流經(jīng)葉輪支座產(chǎn)生壓力損失的主要原因是連接處存在凸臺(tái),導(dǎo)致流場(chǎng)出現(xiàn)較大變化，不能平滑過(guò)渡,建議將葉輪支座與機(jī)芯殼體的連接改為圓弧線型或流線型.
觀察圖5和圖6,當(dāng)流體流經(jīng)葉輪從后導(dǎo)流器流出渦輪流量計(jì)時(shí),壓力梯度變化明顯，存在負(fù)壓區(qū)域并造成很大的壓降，在后導(dǎo)流器凸臺(tái)及流量計(jì)出口處速度變化明顯，由于氣流通過(guò)后導(dǎo)流器后流道突擴(kuò),在后導(dǎo)流器背面形成明顯的低速渦區(qū)，產(chǎn)生漩渦二次流。
結(jié)合圖7、圖8流量計(jì)軸向剖面和出口橫截面的總壓及速度分布圖,其速度分布與壓力分布相似,流量計(jì)流道內(nèi)速度分布較均勻的區(qū)域其壓力梯度變化也較小，即流道內(nèi)速度的分布和變化與壓力損失大小相關(guān).由流量計(jì)軸向剖面和出口橫截面的速度及壓力分布圖可以看出,流量計(jì)后導(dǎo)流器處產(chǎn)生的漩渦二次流影響了出口橫截面處的速度及壓力分布,流體呈螺旋狀流動(dòng),故出口處速度及壓力較大區(qū)域均偏移向流體旋轉(zhuǎn)方向。
流量計(jì)各部件的壓力損失隨流量變化的趨勢(shì)與流量計(jì)總壓力損失隨流量的變化趨勢(shì)相同,其擬合公式為系數(shù)不同的二次多項(xiàng)式，各部件的壓力損失與流量呈二次函數(shù)關(guān)系，隨著流量的增加，壓力損失顯著增加.
觀察圖10各部件壓力損失百分比圖，可見(jiàn)前整流器、前導(dǎo)流器和機(jī)芯殼體處的壓力損失很小，葉輪支座處壓力損失約占總壓力損失的1/4.前整流器所占?jí)毫p失比例在各流量點(diǎn)基本保持不變,前導(dǎo)流器和機(jī)芯殼體處的壓力損失隨流量的增加其比例略有降低,葉輪支座處壓力損失隨流量的增加其比例略有增加,但總體上受流量影響不大.葉輪處的壓力損失隨流量從13m³/h增加至250m³/h,其比例從15.88%降至8.71%,降幅明顯.后導(dǎo)流器處的壓力損失占總壓力損失的大半,隨著流量從13m³/h增加至250m³/h其壓力損失比例由43.77%升至55.83%,增幅明顯.總之,后導(dǎo)流器、葉輪支座和葉輪是流體流經(jīng)渦輪流量計(jì)產(chǎn)生壓力損失的主要影響部件,可通過(guò)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)以降低渦輪流量計(jì)的總壓力損失.
4結(jié)語(yǔ)
本文采用Fluent軟件對(duì)一口徑為80mm的渦輪流量計(jì)內(nèi)部進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分析內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及各部件產(chǎn)生的壓力損失,得出以下結(jié)論:
1)漩渦二次流是產(chǎn)生能量消耗的主要原因,故建議對(duì)渦輪流量計(jì)葉輪支座及后導(dǎo)流器進(jìn)行幾.何參數(shù)的優(yōu)化,將其凸臺(tái)邊緣改為流線型以減少流道突擴(kuò)的影響.減少后導(dǎo)流器葉片厚度并增加其長(zhǎng)度及數(shù)量以減弱氣體螺旋狀流動(dòng),減弱漩渦二次流,達(dá)到降低流量計(jì)壓力損失的目的.
2)分析各部件對(duì)壓力損失的影響,其壓力損失與流量成二次函數(shù)關(guān)系.后導(dǎo)流器相對(duì)于其他部件是壓力損失的主要因素,約占總壓力損失的一半,隨著流量的增加其壓力損失占總壓力損失的比例上升了12.06%.葉輪支座的壓力損失約占總壓力損失的1/4,其壓力損失比例隨流量的增加基本不變.隨著流量的增加葉輪產(chǎn)生的壓力損失比例降幅明顯.
通過(guò)數(shù)值模擬分析得出速度的分布和變化與壓力損失大小相關(guān),通過(guò)優(yōu)化流量計(jì)流道內(nèi)的速度分布可降低流量計(jì)的壓力損失,后續(xù)相關(guān)的渦輪流量計(jì)優(yōu)化研究可從優(yōu)化其流道內(nèi)速度分布人手.
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