摘要：為優(yōu)化小流量渦輪流量計結(jié)構,建立小流量渦輪流量計的數(shù)學模型和三維模型,通過其流場特性進行仿真分析,研究導流架端部的形狀、葉輪與導流架之間凹槽寬度、葉輪面積和形狀對葉輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的影響,并對不同結(jié)構導流架端部的小流量渦輪流量計的流場特性進行了分析,圓錐形結(jié)構葉輪的高壓低速區(qū)面積最小，能夠有效減少壓力損失,提高流量計的測量精度。
0引言
渦輪流量計是一種典型的速度式流量計,具有精度高、重復性好、結(jié)構簡單、在石油、化工、航空航天、電力等領域有著及其重要的應用中。為解決氣液兩相流量計量問題,文獻[2]設計了一種雙渦輪質(zhì)量流量計;文獻[3]針對傳統(tǒng)渦輪流量計需鋪設電源線和信號傳輸電纜,使用不方便的問題,設計了一種基于ARM單片機的無線渦輪流量計;文獻[4]采用3葉片長螺旋形結(jié)構設計了一種新型的渦輪流量計;文獻[5]研究了基于渦輪式氣體流量傳感器的呼氣容量計算方法;文獻[6]研究了渦輪流量計變粘度流量計算與校準方法;文獻[7]研究了一種高壓氣體渦輪流量計。這些研究推動了渦輪流量計研究和應用,隨著小流量計量精度要求的不斷提高，小流量渦輪流量計的流場特性等受到關注。本文從小流量渦輪流量計設計需求出發(fā),通過建立小流量渦輪流量計的數(shù)學模型、三維模型,仿真分析小流量渦輪流量計的流場特性，研究其優(yōu)化設計。
1渦輪流量傳感器工作原理
渦輪流量計依靠流經(jīng)管道的流體對置于管道內(nèi)葉輪葉片的沖擊驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動,如圖1所示，其核心結(jié)構包括殼體、前后導流架、葉輪、軸承和磁鋼。其中殼體連接外部管道,固定內(nèi)部結(jié)構部件,對進入殼體內(nèi)的流體進行微整流;葉輪空心輪轂內(nèi)裝磁鋼,兩端裝有軸承,與導流架.配合,保證葉輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)流量大小的計量。
2小流量渦輪流量計數(shù)學模型
流體流速流量與葉輪角速度成比例關系,通過對渦.輪葉片.上力矩的分析,綜合小流量渦輪流量計的葉輪結(jié)構特性及其制造工藝,依據(jù)動量矩定理得到葉輪運動方程為:
式(1)中,J為葉輪轉(zhuǎn)動動量;ɷ為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度;Md為葉輪驅(qū)動力矩,Mr,為葉片表面粘性摩擦阻力矩;Mb為軸與軸承間的粘性摩擦阻力矩;Mh為輪轂周面上粘性摩擦阻力矩;Mw為輪轂端面上的粘性摩擦阻力矩;Mt為葉片頂端與殼體間隙的粘性摩擦阻力矩;Mm為電磁阻力矩和軸承上摩擦阻力矩之和。
式(1)中:
式(3)中ρ為流體密度;Q為流體體積流量;u1為流體的軸向來流速度;u2為流體流出時葉片速度;a1為流體流人時與葉輪圓周方向的夾角;a2為流體流出葉片與葉輪圓周切向的夾角;如圖2葉片入口和出口的速度平面圖所示。
當流量恒定時,式(3)中ρ、Q、u1、a1為已知量,考慮到葉輪葉片旋轉(zhuǎn)方向上流體進出口線速度相同,記進出口線速度分別設為Ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記流體與葉輪葉片出入口的相對角速度分別為ɷ1和ɷ2,則圓周運動方向夾角β2與葉片與軸線結(jié)構夾角θ之間有式(4)所示關系:
式(9)中,ɷh?為輪轂處角速度;βw為平均相對流速方向與葉輪軸線間角度;Ah為葉片部分輪轂面積,R0為葉輪所在殼體內(nèi)徑,Rh為輪轂半徑
輪轂周面粘性摩擦阻力矩Mhf為:
3渦輪流量計三維流場仿真與優(yōu)化設計
3.1葉輪三維模型建立
基于上述分析可見，葉輪的運動特性主要受其結(jié)構參數(shù)、流體粘性系數(shù)等影響。為分析小流量渦輪結(jié)構的流場特性,設計參數(shù)如表1所示葉輪系統(tǒng),借助UG軟件建立其三維仿真模型;將該三維模型導入ANSYSWork-bench軟件中仿真。
考慮到葉輪的運動性能是流量計量的核心,仿真中采用小四面體網(wǎng)格。小尺寸窄表面采用局部網(wǎng)格,渦輪旋轉(zhuǎn)區(qū)劃分的網(wǎng)格數(shù)約為230萬,整個模型劃分的網(wǎng)格總數(shù)為353萬。
3.2葉輪流場特性分析
3.2.1葉輪速度場分析
分別取流量為5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉輪流場仿真分析,獲得上述流量下葉輪后導流架后端速度矢量圖(圖3(a),(b),(c)所示),可見流體與前導流架前端碰撞產(chǎn)生低速區(qū)，靜壓力變大,且隨流量增大而變大,壓力損失明顯;流體進入前導流架后,流速加快,雷諾數(shù)增加,湍流強度變大。流體進入葉輪前，先流經(jīng)葉輪與前后導流架連接的槽,由于槽內(nèi)流速低,此時流量的速度分布不均,且有強渦流產(chǎn)生�；亓鲗~尾端速度矢量圖如圖3(d)所示,流體在后導流架后端出現(xiàn)長尾流,尾流長度隨流量增大而減小。
3.2.2壓力場分析
分析上述三個不同流量時流道內(nèi)壓力場,發(fā)現(xiàn)隨著流量增加,葉輪、導流架上游面形成的靜壓變高,葉片上游面和葉片下游面的壓力隨著流量的增加而減小(如圖4所示),可見,導流架端部的形狀、葉輪與導流架之間凹槽寬度、葉輪面積和形狀對葉輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)均有明顯影響。
3.3結(jié)構優(yōu)化設計
3.3.1導流架頭部結(jié)構設計
基于上述CFD仿真分析結(jié)果,為有效減小葉輪壓力.損失,將原導流架頭部的球形分別設計橢球型和圓錐形,改進后的導流架頭部尺寸如圖5所示。
3.3.2結(jié)構優(yōu)化后葉輪三維流場特性
基于上述結(jié)構,仿真流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時，不同導流架結(jié)構下葉輪速度場,由.圖6可見,圓錐形結(jié)構葉輪的高壓低速區(qū)面積最小,其次是橢圓形體,球形結(jié)構葉輪的高壓低速區(qū)面積最大,圓錐形結(jié)構能夠有效減少壓力損失,提高流量計的測量精度。在前導流架環(huán)狀流動路徑中，圓錐形流體的速度分布最均勻的，橢圓體結(jié)構次之,球形結(jié)構最差,圓錐結(jié)構具有較好的整流效果。
流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時,改進后導流架頭部形狀后端形成的尾流如圖7所示。圓錐形結(jié)構尾流面積最小,橢球形較小，球形結(jié)構尾流面積最大,三種形狀的尾流中均有渦流出現(xiàn),圓錐形產(chǎn)生渦流最小,壓力損失最小。
4結(jié)論
本文從小流量渦輪流量計設計需求出發(fā),通過建立小流量渦輪流量計的數(shù)學模型、三維模型,基于小流量渦輪流量計的流場特性,優(yōu)化改進了其導流架結(jié)構,所得結(jié)論如下:
(1)由于流體對前導流架沖擊,會導致葉輪靜壓力變.大,流道面積變小,流速增大,經(jīng)前導流架進人葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)后隨葉輪旋轉(zhuǎn)形成旋流。
(2) 隨著流量增加,葉輪、導流架上游面形成的靜壓變高,葉片上游面和葉片下游面的壓力隨著流量的增加.而減小。
(3)圓錐形結(jié)構葉輪的高壓低速區(qū)面積最小，能夠有效減少壓力損失,提高流量計的測量精度。此外,在前導流架環(huán)狀流動路徑中,圓錐形流體的速度分布最均勻的，較橢圓體球形導流架結(jié)構,圓錐結(jié)構具有最好的整流效果。
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