氣體渦輪流量計是一種速度式流量計，具有重復性好、量程范圍寬、適應性強、輸出脈沖信號等特點(diǎn)，近年來(lái)已在石油、化工和天然氣等領(lǐng)域獲得了廣泛應用。流量計的性能對工業(yè)發(fā)展有著(zhù)*為關(guān)鍵的作用，因此，通過(guò)優(yōu)化流量計結構來(lái)提高其計量性能，一直是流量測量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

通過(guò)優(yōu)化渦輪流量計的表體結構，擴大了流量計的測量范圍。Svedin研制了靜態(tài)葉輪渦輪流量計，降低了流量計的壓損。葉輪的多參數定量?jì)?yōu)化方法，針對15mm口徑的傳感器確定了一組能夠實(shí)現黏度不敏感的幾何參數。郭素娜等研究了葉輪參數對渦輪傳感器性能的影響，確定了葉片切角參數為0.25時(shí)傳感器性能*佳。

前人的工作主要集中在對葉輪部分的優(yōu)化，對其它結構的研究相對較少。前導流器作為渦輪流量計的主要組件之一，具有整形流場(chǎng)、壓縮流體、導向流動(dòng)、創(chuàng )造充分發(fā)展的速度分布的作用。整流效果直接影響流量計的品質(zhì)優(yōu)劣。因此，前導流器的結構優(yōu)化對于提高渦輪流量計性能具有重要意義。

CFD數值模擬已經(jīng)成為預測傳感器性能、研究渦輪流量計內部流場(chǎng)信息的有效方法。本研究以氣體渦輪流量計前流器為優(yōu)化對象，通過(guò)Fluent軟件對不同前導流器結構的渦輪流量計內部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，引入了流場(chǎng)均勻性指數來(lái)評價(jià)前導流器的整流效果，給出了針對前導流器部件的優(yōu)化建議，并且通過(guò)實(shí)驗驗證了優(yōu)化方案。

2 渦輪流量計簡(jiǎn)介及優(yōu)化評價(jià)指標

2.1結構及特征參數

氣體渦輪流量計的主要組件包括前導流器、葉輪、后導流件等，其結構簡(jiǎn)圖如圖1所示。

前導流器的主要特征參數有: 導流器直徑、導流體長(cháng)度、導流器葉片數目、導流葉片長(cháng)度。

2.2工作原理

氣體渦輪流量計的工作原理: 氣體流過(guò)流量計推動(dòng)渦輪葉片旋轉，葉片轉速與流體流速成正比，通過(guò)測量轉速來(lái)得到流速，進(jìn)而得到管道內的流量值。待測體積流量qv與輸出脈沖頻率f的關(guān)系式為：

式中: K指流量計的儀表系數。

根據運動(dòng)定律建立渦輪的運動(dòng)方程為

式中: J為渦輪的轉動(dòng)慣量；ω為渦輪的旋轉角速度，t為時(shí)間，Tr為氣流對葉片的推動(dòng)力矩，Trm為機械摩擦力矩，Trf為流動(dòng)阻力矩，Tre為電磁阻力矩。

2.3優(yōu)化評價(jià)指標

本文選取數值模擬過(guò)程中的定性指標和實(shí)驗測得的定量指標作為優(yōu)化評價(jià)指標，從仿真與實(shí)驗兩方面綜合評價(jià)優(yōu)化結果。

2.3.1流場(chǎng)均勻性指數

氣體渦輪流量計作為速度式流量計，是在氣流入口處接近平均速度輪廓的條件下設計和標定的。要想達到準確計量的目的，應當使葉輪處氣流的速度場(chǎng)盡量均勻。當氣體來(lái)流的速度場(chǎng)紊亂時(shí)，氣流對渦輪葉片的推動(dòng)力矩Tr隨之紊亂，導致葉片發(fā)生震顫，計量性能變差，嚴重時(shí)造成葉片與輪軸間磨損失效。而前導流器的作用就是整形流場(chǎng)，使氣體流速均勻，故引入流場(chǎng)均勻性指數作為優(yōu)化評價(jià)指標。

均勻性指數γ描述了指定表面上指定物理量的變化情況，γ?。?，1］，γ越大表示均勻性越好。均勻性指數采用面積進(jìn)行衡量: 面積加權均勻性指數γα。

面積加權均勻性指數(γα) ，利用下式進(jìn)行計算：

從均勻性指數的定義可以看出，當指定物理量為速度時(shí)，γα表示流場(chǎng)速度分布均勻性。面積加權均勻性指數在數值模擬中均可由程序自身提供，這樣大大提高了計算的便捷性。因此，在數值模擬中用γα評價(jià)截面的流動(dòng)均勻性具有明顯的優(yōu)勢。

2.3.2計量性能指標

基于氣體渦輪流量計的工作原理，依據渦輪流量計的檢定規程，確定了渦輪流量計的計量性能指標: 儀表系數、線(xiàn)性度、重復性以及壓力損失。

1)儀表系數K，依據規程按下式計算：

式中: (Ki)max、(Ki)min分別指在整個(gè)流量范圍內，各流量點(diǎn)儀表系數的*大值和*小值。

2)重復性Er，依據規程按下式計算：

式中: (Er)i為*i個(gè)流量點(diǎn)的重復性誤差；Eij為*i個(gè)流量點(diǎn)*j次測量的相對示值誤差，%；Ei為*i個(gè)流量點(diǎn)的平均相對示值誤差，% 。

重復性是評價(jià)儀器穩定的重要指標，重復性越高說(shuō)明流量計穩定性越好。

3)線(xiàn)性度δ，依據規程按下式計算：

4)壓力損失Δp，依據規程規定為流量計入口上游1DN和出口下游1DN的兩點(diǎn)間的壓力差值。較小的壓力損失可減少輸運氣體的能量消耗，降低運輸成本。所以將壓損作為優(yōu)化評價(jià)的一個(gè)重要指標。