摘要:運用數(shù)值模擬和實驗測試相結(jié)合的方法，對氣體渦輪流量計進行了結(jié)構(gòu)改進和性能優(yōu)化�；趦�(nèi)部流體的壓力場和速度場特征分析,得出了影響流量計性能的主要結(jié)構(gòu)為表芯支座和后導流體,主要因素為表芯支座側(cè)面的壓力梯度驟降和后導流體下游的尾流耗散。通過對表芯支座和后導流體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,流量計的計量性能得到了提升。表明:結(jié)構(gòu)優(yōu)化后流量計的壓力損失在最大流量下減小了約42.61%,最大示值誤差降低了22.45%左右，儀表系數(shù)也更加趨于恒定。結(jié)論有助于為今后開發(fā)性能更好的氣體渦輪流量計提供理論指導和技術(shù)支持。
氣體渦輪流量計是一種速度式的流量傳感器，具有測量精度高、量程范圍廣、可靠性好以及使用方便等優(yōu)點。隨著我國西氣東輸工程的全線貫通，縱橫交錯的天然氣管網(wǎng)使我國形成世界上天然氣管網(wǎng)。氣體渦輪流量計被廣泛應用于天然氣管網(wǎng)中的貿(mào)易計量，市場前景廣闊。氣體渦輪流量計的結(jié)構(gòu)改進及其性能優(yōu)化在流量計量領(lǐng)域具有十分重要的應用價值與現(xiàn)實意義。
將氣體渦輪流量計前整流器的葉片截取合適切角，發(fā)現(xiàn)當葉片切角參數(shù)為0.25時流量計的性能最好。對前整流器結(jié)構(gòu)進行分析,得到了流量計壓力損失和線性度誤差均為最小時前整流器的葉片數(shù)與長度。在前導流體研究方面.將前導流體直徑、前導流體與輪轂間距作為改進參數(shù),比較了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下氣體渦輪流量計的性能指標。用流線型前導流體結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)半球形前導流體，使得流量計的壓力損失降低了近33%。一種三葉片長螺旋葉輪結(jié)構(gòu)，流量計測量的重復性明顯提高,測量的相對示值誤差明顯降低。基于響應面法和正交試驗法，得出了影響流量計性能的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)順序為:葉輪頂端半徑>葉輪葉片數(shù)>葉輪輪轂長度>葉輪輪轂半徑。在后導流體方面，優(yōu)化了后導流體的葉片倒角。發(fā)現(xiàn)流量計的壓力損失隨著葉片倒角的增大而增加。通過數(shù)值模擬對流量計內(nèi)部的流場特征進行分析,發(fā)現(xiàn)后導流體產(chǎn)生的壓力損失達到了總壓力損失的55%。
綜上所述,前人對氣體渦輪流量計的研究主要集中在葉輪、前整流器與前導流體部分，而對后導流體與表芯支座的結(jié)構(gòu)改進及其性能優(yōu)化目前還較為少見。實際上,后導流體在流量計中對流體起到穩(wěn)流和導流的作用,表芯支座是固定葉輪的主要結(jié)構(gòu),它們均會對流量計的性能產(chǎn)生影響。因此,以TM80氣體渦輪流量計為對象,采用數(shù)值模擬與實驗測試相結(jié)合的方式,研究流量計內(nèi)部的流場特.征，提出針對表芯支座和后導流體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，進而評估優(yōu)化前后流量計的性能指標,探索出提高流量計計量性能的方法。
1流量計的物理模型與性能指標
1.1流量計的物理模型
以氣體渦輪流量計為研究對象,流量計的結(jié)構(gòu)主要由前整流器、前導流體、葉輪、表芯支座、后導流體以及殼體等組成,其物理模型如圖1所示。流量計的前整流器采用葉柵結(jié)構(gòu)，葉柵數(shù)為16;前導流體由第二級16片葉柵(與前整流器葉柵呈11.5°夾角)和80mm長的圓柱結(jié)構(gòu)組成;表芯支座用于固定葉輪，葉輪的葉片數(shù)為12,螺旋角為45°;后導流體置于葉輪之后,用于穩(wěn)定出口處的氣流。
氣體渦輪流量計的工作原理為:被測氣體從管道流入流量計，首先經(jīng)過前整流器和前導流體進行整流,之后氣流推動葉輪使之產(chǎn)生周期性旋轉(zhuǎn),葉輪轉(zhuǎn)速與被測流體的平均流速成正比。葉輪旋轉(zhuǎn)后帶動磁電轉(zhuǎn)換器，使其磁阻值發(fā)生變化,在感應線圈中產(chǎn)生周期性變化的感應電勢,該信號經(jīng)放大器放大后送至儀表盤顯示。
1.2流量計的性能指標
根據(jù)氣體渦輪流量計檢定規(guī)章《JJG1037-2008》壓力損失、儀表系數(shù)、線性度誤差等是衡量氣體渦輪流量計計量性能的重要指標。
①壓力損失
壓力損失△P表征流體通過流量計的能量損失,降低壓力損失能夠減少流量計在使用過程的能耗氣體通過流量計的壓力損失計算公式為:
式中:α為壓力損失系數(shù);ρ為氣流密度，單位為kg/m3u為氣流流速,單位為m/s。
②儀表系數(shù)
儀表系數(shù)K是表征流量計測量準確度和量程比的關(guān)鍵性能指標。各流量點的儀表系數(shù)Ki與待測氣流體積流量Qi及流量計輸出脈沖頻率ƒ的關(guān)系式為:
按計量檢定規(guī)章，儀表系數(shù)K可以由式(3)進行計算:
式中:(K)max和(Ki)min分別表示流量計在分界流量maxmin點q,到最大流量點qmax范圍內(nèi)各個流量檢定點得到Ki的最大值和最小值，單位為(m3)-1。K越接近恒定,表示流量計的測量穩(wěn)定性越高,進行流量轉(zhuǎn)換時的精度也越高。
③最大示值誤差E
為了定量表征儀表系數(shù)的穩(wěn)定性，引入最大示值誤差。根據(jù)計量檢定規(guī)章,最大示值誤差E可以由式(4)進行計算:
在量程范圍內(nèi)最大示值誤差越小，表明流量計的儀表系數(shù)越穩(wěn)定,線性度也就越好。
2數(shù)值模擬與實驗測試方法
2.1數(shù)值模擬方法
氣流在氣體渦輪流量計內(nèi)部的流動遵循流體力學的基本方程，即滿足流體運動的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。質(zhì)量守恒方程和動量守恒方法表示為：
式中:xi，xi為空間坐標分量，ui，uj為流體流動速度分量:p為靜壓，pij為應力張量ƒi為體積力分量。
由于流量計結(jié)構(gòu)十分復雜,氣流在流量計內(nèi)部的運動往往呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。為了實現(xiàn)對湍流的模擬，需要額外引入湍流模型。本文選取RNGk-ε模型作為湍流模型，其湍流動能h和耗散率ε的輸運方程表示為:
式中:Gk表示平均速度梯度所產(chǎn)生的湍流動能.αε，αk分別表示ε和h的擴散率,C1ε、C2ε為系數(shù)。
由于氣流運動與葉輪旋轉(zhuǎn)存在相互作用，需要引入扭矩模型根據(jù)力矩平衡原理,葉輪旋轉(zhuǎn)的運動方程可以表示為:
式中:J為葉輪慣性力矩，單位為kg·m2;dɷ/dt為葉輪角加速度，單位為rad/s2;M1為流體對葉輪驅(qū)動力矩;M2為軸承摩擦阻力矩，單位為N·m;M3為黏性阻力矩，單位為N·m;M4為磁阻力矩，單位為N·m;t為時間，單位為s。
采用Fluent軟件求解流量計內(nèi)部氣流的運動方程。為了消除管道進口段效應對模擬結(jié)果的影響，在流量計的進出口均增加了10D的直管段(D為機芯直徑)。由于給定了流體的體積流量,進口采用速度進口邊界條件,進口平均速度通過u=Qv/A確定,方向與進口直管段截面垂直;出口為大氣壓，壁面采用無滑移邊界。為了求解葉輪旋轉(zhuǎn)運動方程，把整個計算區(qū)域分解為靜區(qū)域和葉輪旋轉(zhuǎn)的動區(qū)域，動區(qū)域和靜區(qū)域之間采用多重參考模型(MRF)耦合葉輪采用滑移邊界條件，與旋轉(zhuǎn)區(qū)域具有相同的轉(zhuǎn)速。葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域與前后靜區(qū)域之間的表面定義為interface邊界,便于與其他流域進行信息交換。
2.2測試方法
測試采用標準表法氣體流量標準裝置。實驗裝置主要由羅茨流量計、氣體渦輪流量計、穩(wěn)壓氣罐、氣動閥門、氣泵和控制系統(tǒng)等組成，如圖2所示。實驗通過遠程操作PLC設(shè)備，調(diào)節(jié)氣動閥門的開度,實現(xiàn)對氣體體積流量的控制。羅茨流量計作為標準表,其工作量程為0~250m3/h,流量控制精度為0.5級。氣體渦輪流量計作為待測流量計，其測量精度等級為1級，工作量程為13m3/h~250m3/h,量程比為20:1。差壓計的兩個.測壓口分別安裝在待測流量計的前后直管段3D處，其量程范圍為土3000Pa.測量精度等級為1級。氣泵與氣動閥門相連，能夠產(chǎn)生相對穩(wěn)定的負壓。根據(jù)國家計量檢定標準，氣體渦輪流量計需檢定13m3/h、50m3/h、100m3/h和250m3/h等特征流量點。每個流量點進行多次測量,實驗結(jié)果得到標準表和被測流量計的壓力損失、脈沖數(shù)、體積流量以及單流量點的測量時間，數(shù)據(jù)處理后得到儀表系數(shù)和最大示值誤差等指標，進而評估氣體渦輪流量計的計量性能。
3結(jié)果分析與討論
3.1方法驗證
根據(jù)氣體渦輪流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，運用SolidWorks軟件對各部分零件進行組裝建模，將建好的模型導入ANSYSWorkBench進行網(wǎng)格劃分。采用分塊化方法劃分網(wǎng)格，直管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;由于葉輪和后導流體的結(jié)構(gòu)更為復雜,采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，并對其進行細化處理，最后進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，如圖3所示。當網(wǎng)格數(shù)量為580萬與670萬時,兩者的壓力損失相差僅為21Pa，故本文選取580萬網(wǎng)格數(shù)量進行后面的數(shù)值模擬研究。
為了驗證模擬方法的可靠性,本文比較了氣體渦輪流量計在13m3/h~250m3/h范圍內(nèi)11個流量點的壓力損失,這些流量點包含了國家計量檢定標準的4個特征流量點,符合實際的流量檢測要求。由圖4可知:在全量程范圍內(nèi)，流量計壓力損失的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果十分吻合,誤差僅在0~6%范圍內(nèi)波動,證實了所采用的數(shù)值模擬方法和實驗測試方法的可靠性和準確性,為后面流量計的結(jié)構(gòu)改進和性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
3.2流量計內(nèi)部特征分析
為了獲得氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)改進思路，首先對優(yōu)化前流量計內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬。通過在葉輪旋轉(zhuǎn)中心截取水平剖面，得到流場的壓力場和速度場云圖。本文選取流量點50m3/h、250m3/h作為分析對象,對流量計內(nèi)部的流場特征進行定量研究。
由圖5(a)可知:當流量為50m3/h時，流量計進出口的總壓力損失約為71.4Pa。由于受到前整流器和前導流體的阻擋作用，前導流體迎風面壓力梯度與流動方向相反,邊界層發(fā)生分離現(xiàn)象,造成能量損失。在表芯支座側(cè)面,壓力從35.7Pa急劇減至13.2Pa;在近壁面處出現(xiàn)了負壓區(qū)，導致氣流運動紊亂。流量計的出口處出現(xiàn)了明顯的負壓區(qū)，最大負壓值約為-14.5Pa,此處壓力梯度與流體流動方向相反，且等壓線分布混亂，流場壓力分布非常不均勻,大大增加了流動的能量損失。
由圖5(b)可知:流體經(jīng)過表芯支座時，流道截面突縮，流體速度從2.95m/s迅速增至7.9m/s。由于表芯支座結(jié)構(gòu)的特殊性,經(jīng)過的流體無法以垂直角度沖擊葉輪,使得用葉輪轉(zhuǎn)速計算得到的流量與實際流量存在較大偏差，降低了流量計的精度。流體流出葉輪后,由于后導流體直徑大于葉輪輪轂直徑，流道截面繼續(xù)縮小,氣流速度繼續(xù)增加。后導流體出口處速度梯度大，當流體有旋運動與壁面分離時，出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象和尾跡區(qū)域。受流體粘性的影響，尾跡中旋渦的動能逐漸轉(zhuǎn)換成熱能進一步耗散,增加了能量損失。
圖5(c,d)表示流量為250m3/h時流量計內(nèi)部流體的壓力云圖和速度云圖。隨著流量的增加,流量計內(nèi)部流體的湍流性質(zhì)更加明顯。流量計的壓力損失明顯增加,壓力損失約為1390.5Pa。此時,表芯支座處的壓力梯度變化更加明顯;后導流體下游區(qū)域的流場更加紊亂，回流現(xiàn)象加劇，尾跡范圍明顯擴大。
上述模擬結(jié)果給予我們重要提示:表芯支座和后導流體的結(jié)構(gòu)對流量計性能的影響非常明顯，可以通過改進表芯支座和后導流體的結(jié)構(gòu)達到提高流.量計性能的目的。在表芯支座的優(yōu)化中，可以從減少側(cè)面區(qū)域壓力梯度驟變的角度考慮。在后導流體的優(yōu)化中,可以從穩(wěn)定流場、減弱回流，縮小負壓區(qū)和尾跡范圍的方向思考。
3.3流量計結(jié)構(gòu)改進方案
基于流量計流場特征的分析,將原來的表芯支座和后導流體結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。首先，表芯支座迎風面一側(cè)的直徑從64mm縮減至50mm,如圖6(a-b)所示,運用所形成的18.5°坡度來減緩流體的壓力梯度變化，從而減少流量計的壓力損失。其次.對后導流體的直徑進行縮減，如圖6(d)~圖6(e)所示，直徑從原來的66mm減至62mm,以減小對流出葉輪流體的阻礙。最后,運用3D打印技術(shù)，制作優(yōu)化后的表芯支座和后導流體模型成品，如圖6(c)、圖6(f)所示。
3.4流量計性能指標評價
為驗證改進方案的可行性，對改進模型進行仿真，從流場的角度分析其優(yōu)化效果。流量點同樣選取50m3/h、250m3/h作為分析對象，流量計內(nèi)部流場特征如圖7所示。從結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化的模擬結(jié)果可以看出:由于改變了表芯支座的坡度使得氣流更加平緩，其迎風面高壓區(qū)減小，側(cè)面的負壓區(qū)消失,壓力梯度驟變的情況得到緩解;后導流體下游區(qū)域流場紊亂的現(xiàn)象也得到明顯改善，壓力分布變得更均勻;尾跡區(qū)域的面積減小,尾跡耗散引起的能量降低;流量計出口處的壓力梯度變化更均勻,后導流體的導流效果明顯提升;總壓，力損失明顯降低,在50m3/h流量點降低了約46.2%,在250m3/h流量點降低了約45.8%。
為進一步驗證結(jié)構(gòu)改進效果，用優(yōu)化后的表芯支座和后導流體成品模型代替原模型中的表芯支座和后導流體結(jié)構(gòu)，安裝進氣體渦輪流量計進行實驗測試。根據(jù)《渦輪流量計檢定規(guī)章》,通過重復實驗獲得多組實驗數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理后得到流量計的壓，力損失、儀表系數(shù)、最大示值誤差等性能指標，進而評價流量計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果及其計量性能。表1所示為實驗測試的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
首先,對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計壓力損失的實驗結(jié)果進行分析。圖8表示原模型、優(yōu)化表芯支座模型、優(yōu)化后導流體模型，以及整體優(yōu)化模型的壓力損失隨著流量變化的規(guī)律。隨著流量的增大，所有流量計模型的壓力損失均呈明顯增大趨勢。兩個結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案均對壓力損失的降低起到了作用，當流量為250m3/h時，整體優(yōu)化模型將壓力損失降低至.749.8Pa,降低幅度約42.6%,有效地減少流量計在使用過程的能耗，提高了流量計的性能。
根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù),運用式(2)、式(3)，計算得到了流量計的儀表系數(shù)K。圖9所示為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計儀表系數(shù)隨著流量的變化規(guī)律。在小流量情況下(0~50m3/h),儀表系數(shù)起伏很明顯,這主要由于流量計受葉輪慣性力、流體阻力以及機械阻力等因素的影響而造成;相對而言整體優(yōu)化模型的儀表系數(shù)較好。在大流量情況下(50m3/h~250m3/h)，四個模型的儀表系數(shù)都較為平整;相對于原模型,三種優(yōu)化模型的儀表系數(shù)都更趨于恒定,這表明優(yōu)化表芯支座和后導流體結(jié)構(gòu)可以提高流量計測量的精度。
為了定量表征儀表系數(shù)的穩(wěn)定性，根據(jù)式(4)，文章計算得到了流量計的最大示值誤差。由表1可知:優(yōu)化后導流體后流量計的最大示值誤差降至0.242%，降低了約17.7%。優(yōu)化表芯支座不能明顯降低流量計的最大示值誤差，其線性度誤差約為0.283%。在同時優(yōu)化表芯支座和后導流體的情況下，最大示值誤差明顯減小，降幅約為22.45%。這表明本文所提出的優(yōu)化方案可以明顯提升流量計儀表系數(shù)的穩(wěn)定性。
結(jié)論
采用CFD數(shù)值模擬方法，氣體渦輪流量計內(nèi)部的流場特征，進而提出了關(guān)于流量計表芯支座和后導流體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案�；跇藴时矸▽嶒灉y試技術(shù)，比較分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計的壓力損失、儀表系數(shù)以及線性度誤差等性能指標。研究結(jié)果如下:
①數(shù)值結(jié)果表明:表芯支座側(cè)面的壓力梯度驟變和后導流體尾部的回流和尾流特征是影響氣體渦輪流量計性能的主要因素。
②實驗結(jié)果表明:對表芯支座和后導流體結(jié)構(gòu)單獨優(yōu)化后，氣體渦輪流量計的壓力損失分別降低約24.2%和17.8%、最大示值誤差分別降低約17.7%和3.7%。
③對表芯支座和后導流體整體優(yōu)化后,氣體渦輪流量計的性能得到了進一步提高，總的壓力損失降低約43.61%,總的最大示值誤差減小約22.45%
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