摘要：對DN100氣體渦輪流量計的關(guān)鍵部件之一前導流器引起的流量計壓力損失進(jìn)行試驗測量和數值計算。對比分析兩種不同結構前導流器對壓力損失的影響，發(fā)現前導流器的結構變化不僅影響該部位的氣流速度分布，使當地壓力損失發(fā)生變化，更重要的是對后面各部件內的氣體流動(dòng)速度梯度和壓力恢復也有明顯影響，使總壓損失進(jìn)一步放大或減小。數值計算通過(guò)分析流動(dòng)參數的變化從流動(dòng)機理上解釋了結構與壓損間的關(guān)系。

渦輪流量計是一種速度式葉輪流量測量?jì)x表，它利用置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體流速的正比關(guān)系，通過(guò)測量葉輪轉速得到流體流速，進(jìn)而得到管道內的流量值。渦輪流量計以其結構簡(jiǎn)單、精度高、流通能力大而被大量應用于能源動(dòng)力、水利輸運和天然氣計量等工業(yè)領(lǐng)域中。在選用渦輪流量計時(shí)，除要求其準確度高、量程寬和起始流量小外，壓力損失也是關(guān)鍵指標。具有較小壓力損失的渦輪流量計可減少輸運流體的能量消耗，進(jìn)而節約能源，降低輸送成本。國外較早就開(kāi)展了對渦輪流量計的數值計算研究，隨著(zhù)所采用計算方法和模型精度的提高，在改善渦輪流量計性能方面取得了顯著(zhù)進(jìn)步。我國多年來(lái)則側重于提高電信號轉換精度方面的研究，且偏重于試驗，對流量計流動(dòng)性能與結構相互影響的理論與數值研究很少。本文擬通過(guò)對傳統和流線(xiàn)形前導流器結構對渦輪流量計性能影響的數值模擬計算，并與試驗測量的比較，確定數值模擬方法的有效性，同時(shí)分析前導流器結構對性能的影響機理。

1、試驗模型與測量裝置

1.1流量計結構與改進(jìn)

渦輪流量計結構示意圖如圖1所示，主要組件包括前導流器、葉輪、支架以及后管段。流體從機殼進(jìn)口流入，*先經(jīng)過(guò)前導流器，前導流器對流體流動(dòng)有如下兩個(gè)重要作用：

① 收斂作用。氣流在此處由管道流轉換為環(huán)形通道流，速度增加而壓力減小，避免流動(dòng)分離產(chǎn)生大的渦旋運動(dòng)。

② 導向作用。導流葉片可避免流體自旋而改變對葉輪葉片的作用角度，保證計量的準確度。

體通過(guò)流量計的壓力損失與介質(zhì)的密度、流速等有關(guān)，其計算公式為

?p=α·ρ·v²/2   (1)

式中，?p為壓力損失，α為壓損系數，ρ為介質(zhì)密度，v為流速。

由于ρ和v為流體流動(dòng)參數，不能隨意增減，因此只能盡量減小壓損系數α，以達到降低壓損的目的。壓損系數除了受流體粘性、管徑及管長(cháng)等因素影響外，與流量計內部各部件的幾何結構有密切關(guān)系。文獻通過(guò)試驗發(fā)現葉輪的形線(xiàn)、葉片數對壓力損失的影響較小(≤3%)，因前導流器對流量計有著(zhù)重要作用，故將傳統的球形前導流器改進(jìn)為流線(xiàn)形，考察兩者在流動(dòng)減阻方面的不同，進(jìn)而分析對流量計性能的影響程度。DN100渦輪流量計改進(jìn)前后的前導流器結構如圖2所示，幾何參數見(jiàn)下表。

1.2試驗裝置

氣體渦輪流量計的流量與壓力測量裝置如圖3所示。主要包括四部分：測量段部分、穩壓罐、標準表、引風(fēng)機部分。測量段部分包括前直管段、“U”形管或斜管微壓計、氣體渦輪流量計、后直管段以及檢測臺；引風(fēng)機部分包括流量調節閥、引風(fēng)機以及消聲器。

被測流量計安裝在測量段中，前直管段長(cháng)度大于20倍被測氣體流量計管徑，后直管段長(cháng)度大于10倍流量計管徑，“U”形管或斜管微壓計連接在被測流量計的入口和出口處，用于測量流量計的壓力損失。標準表為羅茨氣體表，精度0.5級，用于計量流經(jīng)被測流量計的氣體流量。標準表與計算機連接，由計算機進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，輸出瞬時(shí)流量，并顯示累計流量值。引風(fēng)機用于產(chǎn)生管道氣體流量，通過(guò)閥門(mén)調節流量大小，引風(fēng)機出口端安裝有消聲器以降低噪聲。

2、壓力損失數值計算

通過(guò)數值方法模擬兩種前導流器結構下流量計的內部流動(dòng)，將模擬結果與試驗宏觀(guān)測量參數進(jìn)行符合度對比，進(jìn)而再對速度、壓力等微觀(guān)流動(dòng)參數進(jìn)行詳細分析，得出影響壓力損失大小的流動(dòng)規律。

2.1模型建立與網(wǎng)格劃分

在數值求解前，*先建立流場(chǎng)的計算幾何模型。數值計算對象與試驗流量計相同，均為DN100氣體渦輪流量計。按照流量計的結構特點(diǎn)，采用分塊建模方法，將計算流場(chǎng)分割為前導流、葉輪、支架及后管段(尾流)四個(gè)部分，如圖1所示。

在網(wǎng)格生成過(guò)程中，對前導流器和葉輪旋轉區域采用非結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格數為300 000；葉片及導流體壁面處建立5層邊界層網(wǎng)格，*小尺度為0.1mm；支架和尾流部分分區生成結構化網(wǎng)格，以節省計算時(shí)間，網(wǎng)格數為200 000；對前導流器和葉輪葉片根部附近流動(dòng)變化劇烈的區域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以提高網(wǎng)格質(zhì)量，得到較詳細的流動(dòng)信息。兩種前導流器配以相同的葉輪(葉片數20)和支架。生成后的計算網(wǎng)格總數均為550 000左右。

2.2數值計算方法

數值計算時(shí)，必須建立正確的流動(dòng)物理模型。連續性方程、N-S運動(dòng)方程是描述流體流動(dòng)的基本控制方程組。本文采用將雷諾平均N-S方程組與幾種湍流模型相結合的數值求解方法進(jìn)行了求解對比，應用雷諾應力模型解的收斂性不好，而Spalart-Allmaras模型精度不夠，*終確定采用k–ε兩方程湍流模型解決內流方程組的封閉性問(wèn)題，并達到求解目的。

從上述流動(dòng)方程出發(fā)，針對流量計的具體流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：將葉輪旋轉部分設定為相對旋轉坐標系后，流動(dòng)為定常，即不考慮方程中的時(shí)間項；考慮到絕大部分流動(dòng)速度小于50m/s，忽略速度變化對密度的影響，即假定流動(dòng)為不可壓。

方程的求解方法采用SIMPLE算法。以“有限體積法”作為流場(chǎng)的數值離散方法，方程離散過(guò)程中采用二階精度的迎風(fēng)差分格式。

由于流場(chǎng)結構復雜，對湍流雷諾應力的模擬采用普適性*好的標準k–ε模型

湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε則通過(guò)對其賦初值后由相應的k方程和ε方程求得。

計算中應用的邊界條件如下。

入口：給定相應流量下的主流速度值。

出口：滿(mǎn)足質(zhì)量守恒，min=mout。

固壁：壁面函數法。

葉輪部分采用旋轉坐標系，給定相應流量下的葉輪轉速。

3、計算與試驗結果分析

3.1壓力損失值的比較

圖4為兩種前導流結構下總壓損失與流量的關(guān)系曲線(xiàn)。圖4b為圖4a在量程為0～400m³/h區間的曲線(xiàn)圖。

由圖4可知，兩種結構下的計算與試驗值符合很好，誤差在全量程范圍內均小于5％。在小流量(≤200 m³/h)區，無(wú)論是計算值還是試驗值，兩種結構的壓損值相差非常小，說(shuō)明前導流結構在流量較小時(shí)對壓損的影響不明顯。隨著(zhù)流量的增大，結構導致的壓力損失出現了較大差別，明顯看到，流線(xiàn)形與球形的數值差距越來(lái)越大，在*大流量處(約 750 m³/h)，球形壓損比流線(xiàn)形增大約30％。

試驗和計算結果均顯示，氣體流經(jīng)渦輪流量計的總壓損失隨流量基本呈二次方增長(cháng)趨勢，即?p=αQ²，這與式(1)是一致的。不同結構的前導流，二次函數的系數α不同。對于流線(xiàn)形前導流，該系數顯然較小。按照式(1)的分析，壓損系數a代表流動(dòng)過(guò)程中各種因素引起能量損失的綜合能力。由此可以推斷，流線(xiàn)形結構更符合流動(dòng)的要求，使流動(dòng)過(guò)程中的能量損失被削弱，從而提高了流動(dòng)性能。流量越大，這種改善越明顯。

計算過(guò)程中還發(fā)現，在*小流量下(≤30 m³/h)，計算與試驗的相對誤差明顯增大。例如在流量為30 m³/h 時(shí)，壓力損失測量值為5Pa，而計算值為2.6Pa，誤差達48％。分析原因是由斜管微壓計的測量精度引起，其讀數誤差為0.5mm，當斜管傾斜30°時(shí)，產(chǎn)生的相應水柱誤差約為3Pa，當實(shí)際壓差很小時(shí)容易引起較大的讀數誤差，鑒于此，本文計算與試驗的比較范圍大于50 m³/h。

3.2數值模擬結果流場(chǎng)分析

為進(jìn)一步定量考查前導流器結構對流場(chǎng)特別是對壓力的影響，將兩種結構下數值模擬流場(chǎng)的壓力與速度分布規律進(jìn)行了對比分析，從流動(dòng)機理角度對結構與壓力的關(guān)系給予考查。

圖5為兩種前導流器結構水平中心斷面上的壓力等值線(xiàn)分布，宏觀(guān)上，圖5a、5b的壓力變化趨勢是一致的：在前導流器、葉輪和支架部分，壓力均不同程度地降低，由支架進(jìn)入尾流區后，壓力逐步上升。

仔細觀(guān)察，兩者在量值上存在較大不同：

①在前導流器部分，球形的前半部壓力變化劇烈，后半部幾乎不變化，流線(xiàn)形的壓力變化體現于整個(gè)流道中，較緩和，結果使球形(1237.5 Pa)進(jìn)、出口的壓差(入口相對壓力0Pa)明顯高于流線(xiàn)形(1 020.0 Pa)，可見(jiàn)流道逐漸收縮有利于減小壓力損失。

②葉輪部分的壓降，球形約為630Pa，流線(xiàn)形為560Pa。在該流域，部分壓能轉換為動(dòng)能驅動(dòng)葉輪旋轉，流線(xiàn)形壓力損失略低于球形。

③在支架環(huán)形通道中的壓力損失，球形為208.5Pa(支架前端壓力2071.4Pa與末端壓力1 862.9 Pa之差)，流線(xiàn)形為167.2Pa(支架前端壓力1 744.5Pa與末端壓力1 577.3Pa之差)，也是流線(xiàn)形低于球形。

④由支架出口進(jìn)入突然擴張的尾流部分后，氣流減速增壓，在此過(guò)程中球形壓力由–2 071.4Pa上升為–1 585.0Pa，增值486.4Pa，流線(xiàn)型由–1 744.5Pa上升為–1 187.2Pa，增值557.3Pa，流線(xiàn)形的壓力回升速度快于球形。

上述四部分壓力變化的疊加體現為渦輪流量計的總壓損，球形為1 585Pa，流線(xiàn)形1 187Pa，球形比流線(xiàn)形高33％左右。

圖6為與圖5相同位置上的速度等值線(xiàn)分布。在前導流器處，可看出對應壓力變化劇烈的區域，速度變化也較大。球形頭部速度急劇增大、直管段速度幾乎不變的分布趨勢使其中心出口速度(47.0m/s)較大(流線(xiàn)形45.2m/s)，在同流量下表明球形前導流器具有較大速度梯度。當氣流進(jìn)入尾流部分后，由于流道突擴，在支架的背面形成明顯的低速渦區，之后管壁附近速度降低，中心區主流速度回升，速度值被逐漸拉平，對應壓力也逐步回升?？煽吹?，至出口斷面，流線(xiàn)形的速度不均勻*大差值為6.0m/s，球形為9.4m/s，即球形的出口速度梯度更大，壓力回升則相應較慢。

綜合圖5、6，速度的分布和變化與壓力損失的大小密切相關(guān)，流線(xiàn)形前導流器不僅使當地的氣流速度分布較球形更均勻(梯度較小)，還影響其后的流場(chǎng)速度變化程度，從而使各部分的壓力損失連鎖減小，達到明顯降低總壓損的目的。

4、結論

對傳統球形和改進(jìn)的流線(xiàn)形兩種前導流器結構下渦輪流量計的試驗測量和數值計算結果表明，在小流量(≤200 m³/h)下，兩者壓損幾乎相同，即結構對壓力損失的影響很??；隨著(zhù)流量增大，壓損差值越來(lái)越明顯，在*大工作流量(750 m³/h)下，球形壓損比流線(xiàn)形增加了約33％。改進(jìn)后的流線(xiàn)形前導流器通過(guò)改善氣流在當地及隨后各部件中的速度和壓力分布，使速度梯度降低，壓力恢復加快，從而達到明顯降低總壓損的目的。

計算與試驗的對比結果顯示，采用數值計算方法可以有效地模擬渦輪流量計內部的氣體流動(dòng)從而給出正確的壓力損失值，是進(jìn)一步深入研究渦輪流量計的可靠工具。