摘(zhai)要:利用數(shu)值計算方(fang)法研究了(le)不同安裝(zhuang)條件對渦(wo)輪流量計(ji) 性能的影(ying)響。計算結(jie)果分析表(biao)明,安裝于(yu)流量計前(qian)的單彎頭(tou)、雙彎頭以(yi)及閥門等(deng)管道配件(jian)都會造成(cheng)流體速度(du)趨于扁平(ping)💃🏻分布和不(bu)對稱分布(bu)以及産生(sheng)漩渦流,都(dou)是影✏️響流(liu)量計計量(liang)精度的主(zhu)要原因。合(he)理布置彎(wan)頭和閥門(men)開度的方(fang)🌂向,使流體(ti)通過兩者(zhe)🤩時産生的(de)漩渦流旋(xuan)轉方向相(xiang)反,則有利(li)于降低流(liu)量計進口(kou)前漩渦流(liu)的強度,減(jian)少對流量(liang)計測量精(jing)度的影響(xiang)。渦輪流量(liang)計的前導(dao)流件🏃🏻‍♂️能有(you)效消除流(liu)體速度中(zhong)的漩渦流(liu)分量,但在(zai)校正速度(du)分布的不(bu)對稱性和(he)扁平性方(fang)面效果并(bing)不顯著。
1引(yin)言
渦輪流(liu)量計的測(ce)量精度易(yi)受到流量(liang)計前管線(xian)安裝條件(jian)的影🔞響。一(yi)般管線系(xi)統中的各(ge)種管配件(jian),包括閥門(men)、彎頭、變徑(jing)管等所産(chan)生的流體(ti)幹擾都會(hui)引🏃🏻起流體(ti)速度分💋布(bu)發生畸變(bian),産生漩渦(wo)流和非對(dui)稱流等，影(ying)響了渦輪(lun)流量計的(de)測量精度(du)。安裝條件(jian)對🌏渦輪流(liu)量計性能(neng)的影響早(zao)就引起各(ge)國學者的(de)廣泛關注(zhu),并對㊙️此問(wen)題進行了(le)較爲系統(tong)的實驗⚽研(yan)究。先後利(li)用實驗研(yan)究了渦輪(lun)流量計進(jin)口前裝有(you)90°彎頭🔅、不在(zai)同一平面(mian)内的雙彎(wan)頭、IS09951推薦的(de)🌈能夠産生(sheng)高和低流(liu)體❗幹擾的(de)管線結構(gou)以及閥門(men)]等對渦㊙️輪(lun)流量計測(ce)量精度的(de)影響。
近幾(ji)年數值計(ji)算方法逐(zhu)漸應用于(yu)渦輪流量(liang)計的研究(jiu)中(8-12],與實驗(yan)方法相比(bi),數值計算(suan)方法具有(you)成本低、更(geng)能提🙇‍♀️供詳(xiang)細的💘三維(wei)流場以及(ji)能掌握管(guan)線結構引(yin)起🔴的各種(zhong)流體幹👌擾(rao)的衰減規(gui)律等優點(dian)。數值📱計算(suan)方法😍的有(you)效性也逐(zhu)漸得到了(le)驗證E[8.12].但是(shi)迄今爲止(zhi)仍未見文(wen)獻報道利(li)🔞用數值計(ji)算手段研(yan)究安裝條(tiao)件對渦🚶‍♀️輪(lun)流量計性(xing)能的♈影響(xiang)。
另一方面(mian),機動油料(liao)裝備逐漸(jian)向小型化(hua)發展,選用(yong)計量裝置(zhi)時通常考(kao)慮選用測(ce)量精度高(gao)、質量輕的(de)流量計，如(ru)渦輪🍉流量(liang)計。然而渦(wo)輪流量計(ji)對前後直(zhi)管段的要(yao)求限制了(le)其在機動(dong)油料裝備(bei)上的使用(yong)。爲此,本文(wen)利用數值(zhi)計算手段(duan)就流量計(ji)進口前裝(zhuang)有90°彎頭、不(bu)在同-平面(mian)内的雙彎(wan)頭以及雙(shuang)彎頭之間(jian)有一個半(ban)圓形💛擋闆(pan)三種安裝(zhuang)條件對流(liu)量計内部(bu)流場以及(ji)測量精度(du)的影響進(jin)行研究,爲(wei)渦輪流量(liang)計在機動(dong)油料裝備(bei)上的應用(yong)提供指導(dao)。.
2流體速度(du)分布的特(te)征參數
流(liu)體幹擾影(ying)響渦輪流(liu)量計測量(liang)精度的速(su)度畸變主(zhu)要體現在(zai)三個方面(mian):速度分布(bu)的扁平性(xing)、漩渦流🌐和(he)速度分布(bu)的非對稱(cheng)性。爲了能(neng)定量描述(shu)流體幹擾(rao)引起的速(su)度🍓畸變,Mickan定(ding)義了軸向(xiang)動量數K。、漩(xuan)流數K,和非(fei)對稱數K,三(san)個特征參(can)數5)。本文⭐引(yin)人這三個(ge)參數,以便(bian)于後面的(de)分析。
軸向(xiang)動量數K。用(yong)于衡量流(liu)體軸向動(dong)量通量的(de)轉動💃🏻力矩(ju)的大小,其(qi)計算式爲(wei):
 
式中:u爲軸(zhou)向流速,um爲(wei)平均流速(su),r爲徑向坐(zuo)标，ρ爲流體(ti)密度,R爲管(guan)線半徑,A爲(wei)管線的橫(heng)截面積。對(dui)于充分發(fa)展流,Ku爲定(ding)值,約爲0.62,而(er)我們所關(guan)心的是充(chong)分發展流(liu)與幹擾流(liu)之間的差(cha)别，故常用(yong)反映兩者(zhe)差别的參(can)🏒量△Ku(其值等(deng)于Ku-Ku0),它對渦(wo)🤩輪流量計(ji)的測量精(jing)🌈度具有較(jiao)📧大的影響(xiang)。.
漩流數Kv用(yong)于衡量軸(zhou)向漩渦的(de)強度。由于(yu)渦輪流量(liang)計的轉速(su)易受漩渦(wo)流的影響(xiang),因此Kv的大(da)小對其有(you)🤟重要👄的影(ying)響。其✉️計算(suan)式爲:
 
式中(zhong):v爲切向流(liu)速。
非對稱(cheng)數KA用于衡(heng)量速度分(fen)布對稱性(xing)的程度,用(yong)管線橫截(jie)面👅上流體(ti)質心與對(dui)稱軸之間(jian)的距離來(lai)表示,其計(ji)算式爲:
 
式(shi)中:y、z分别爲(wei)管線橫截(jie)面上的直(zhi)角坐标,m爲(wei)質量流量(liang)。
3數值計算(suan)模型
3.1基本(ben)方程組
描(miao)述渦輪流(liu)量計内部(bu)流場的基(ji)本方程組(zu)爲連續性(xing)方程、N-S運動(dong)方程和紊(wen)流模型。目(mu)前還沒有(you)普遍适用(yong)的紊流模(mo)型,本文選(xuan)用較常用(yong)的标準k-ε雙(shuang)方程模型(xing)。模型⛱️方程(cheng)中相關系(xi)數取值分(fen)别爲:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網格(ge)劃分和邊(bian)界條件
在(zai)數值計算(suan)過程中,渦(wo)輪流量計(ji)的葉輪處(chu)于旋轉狀(zhuang)🌈态,故葉輪(lun)部分的網(wang)格劃分疏(shu)密對計算(suan)結果的正(zheng)确🌈率具有(you)重要的💃🏻影(ying)響,在網格(ge)劃分時對(dui)葉輪表面(mian)的網🏃‍♂️格進(jin)行了适當(dang)的局部加(jia)密處理。前(qian)、後導流件(jian)部分區域(yu)采用六面(mian)體網格,其(qi)他區域采(cai)用四面體(ti)網格,葉輪(lun)🤞部分全部(bu)采🈲用四面(mian)體網格,單(dan)流量計計(ji)算區域内(nei)網格總數(shu)爲97.31萬個⛱️,其(qi)中葉輪部(bu)分的網格(ge)總數爲67.42萬(wan)個。
爲了減(jian)少在計算(suan)過程中因(yin)計算域進(jin)口與出口(kou)位置對渦(wo)輪流量計(ji)内部流場(chang)的影響,本(ben)文計算域(yu)的🔞進口與(yu)出口适📱當(dang)向外作🔴了(le)延伸，上遊(you)直管段長(zhang)度爲.5D,下遊(you)🈲爲10D。進口采(cai)用圓管紊(wen)流🙇‍♀️流速分(fen)布的1/7律來(lai)确定。凡與(yu)流體相接(jie)觸的所有(you)固體界面(mian)上采用無(wu)滑✉️移固體(ti)璧面條件(jian),出口施加(jia)定靜壓。
4數(shu)值計算
4.1流(liu)量計前的(de)管線結構(gou)
文中采用(yong)的渦輪流(liu)量計結構(gou)如圖1所示(shi)。流量計的(de)内徑爲15mmm,葉(ye)輪葉片數(shu)爲4片,前、後(hou)導流件采(cai)用橢球形(xing)端面。
 
本(ben)文主要分(fen)析了Casel~Case5等5種(zhong)結構，見圖(tu)2。
 
Case1:流量計前(qian)是一長爲(wei)5D的直管段(duan)。
Case2:90°的彎頭，其(qi)前有一5D長(zhang)的直管段(duan)。考慮到機(ji)動油料裝(zhuang)🍉備上流量(liang)計✉️的安裝(zhuang)空間非常(chang)受限，彎頭(tou)與流量計(ji)🤩進口之間(jian)的距離設(she)爲1D。
Case3:不在同(tong)一平面内(nei)的雙彎頭(tou),兩彎頭之(zhi)間有一長(zhang)爲0.5D的直🚩管(guan)段🤩,進口管(guan)段長度和(he)第二個彎(wan)頭與流量(liang)計進口的(de)距離同Case2。
Case4:在(zai)Case3的雙彎頭(tou)中間位置(zhi)上布置了(le)一個1mm厚的(de)半圓薄闆(pan)，薄闆位于(yu)雙彎頭的(de)外側位置(zhi)。
Case5:除了半圓(yuan)薄闆的位(wei)置在雙彎(wan)頭的内側(ce)外,管線結(jie)構❓同Case4。
研究(jiu)Case4和Case5的管線(xian)結構主要(yao)目的有兩(liang)個:一是研(yan)究閥門對(dui)流量🐆計測(ce)量精度的(de)影響;二是(shi)閥門開度(du)與彎⭐頭的(de)👉相對方向(xiang)🚶‍♀️不同時對(dui)🌈流量計測(ce)量精度的(de)影響。
4.2計算(suan)結果與分(fen)析
計算參(can)數:流體的(de)進口平均(jun)速度um爲5m/s,計(ji)算介質爲(wei)20℃的水。
 
圖3示(shi)出了不同(tong)條件下渦(wo)輪流量計(ji)進口處在(zai)4個方向上(shang)的軸向和(he)切向流速(su)分布。從圖(tu)中可以看(kan)到,對于Casel這(zhe)種管⁉️線結(jie)構,軸向流(liu)速符合充(chong)分發展流(liu)的速度分(fen)布,切向流(liu)速分量很(hen)小。而且在(zai)進口橫截(jie)面上，根據(ju)式(1)~(3)計算得(de)到Ku0等于0.62,Kv和(he)KA分别等于(yu)0,因此可作(zuo)爲參考量(liang)用于其🔱它(ta)管線結構(gou)🔞的分析。本(ben)文對所有(you)計算🏃‍♀️結果(guo)的分析都(dou)以此作爲(wei)參考進行(hang)的。
當流量(liang)計前裝有(you)90°彎頭時(Case2)，軸(zhou)向流速在(zai)管線對稱(cheng)軸上附近(jin)🧡表現爲最(zui)小，然後向(xiang)管壁兩側(ce)增加,呈現(xian)了非對稱(cheng)的馬鞍型(xing)分布,且切(qie)向流速表(biao)現出了二(er)次🌂流現象(xiang)。
當流量計(ji)前的管線(xian)結構爲不(bu)在同一平(ping)面内的雙(shuang)彎頭時(Case3)，軸(zhou)🌂向💞流速出(chu)現了與Casel相(xiang)似的非對(dui)稱的馬鞍(an)型分布,不(bu)過其不對(dui)稱程度要(yao)比Casel小，但流(liu)速更呈扁(bian)平分布;切(qie)向流速同(tong)樣出現了(le)二次流現(xian)象,其漩渦(wo)強度則要(yao)🤟比Casel強得多(duo)👨‍❤️‍👨。
對于兩個(ge)彎頭之間(jian)有一半圓(yuan)薄擋闆的(de)兩種管線(xian)♉結構Case4和Case5,軸(zhou)向流速的(de)不對稱分(fen)布非常嚴(yan)重。除了在(zai)θ=90°這個方向(xiang)上軸向流(liu)速呈馬鞍(an)型分布外(wai),在其餘三(san)💘個方向上(shang)幾乎✌️是從(cong)管璧的一(yi)😘.側向另-側(ce)單調遞增(zeng)的趨勢。不(bu)過,兩種管(guan)🈲線結構的(de)切向流速(su)則表現出(chu)了不同的(de)分布趨勢(shi)。當半圓薄(bao)闆布置在(zai)雙彎頭的(de)💃外側(Case4),流體(ti)速度中含(han)有很強的(de)✉️切向流速(su)分布🐇,其最(zui)大值幾乎(hu)達到了平(ping)均流速的(de)60%。當半圓薄(bao)闆布置在(zai)雙彎頭的(de)内側(Case5),切向(xiang)流速分量(liang)要比Case4的小(xiao)得多,甚至(zhi)小于Case3。
造成(cheng)這種差别(bie)主要是由(you)于對于Case4,流(liu)體通過半(ban)圓薄♋闆後(hou)産生的📧漩(xuan)渦方向和(he)通過彎頭(tou)後産生的(de)漩渦✨方向(xiang)👌相同📱，因此(ci)在流量計(ji)進口前表(biao)現出比Case3更(geng)高的切向(xiang)流👅速分量(liang),而Case5的情🧑🏾‍🤝‍🧑🏼況(kuang)則反之。由(you)于這個原(yuan)因,Case4計算得(de)到的渦輪(lun)流量計儀(yi)表系數與(yu)Casel相比,其誤(wu)差偏移爲(wei)-1.79%,而CaseS則僅爲(wei)-0.23%,見表1。這個(ge)計算結果(guo)同時說明(ming)了在👄渦輪(lun)流量計前(qian)💘合理布置(zhi)彎頭和閥(fa)i]開度之間(jian)💋的相對方(fang)向,有助于(yu)降❓低漩渦(wo)流的強度(du)，從而減少(shao)對流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量計(ji)量性能的(de)影響。同樣(yang)我們研究(jiu)了流♻️體通(tong)過前導流(liu)件後在其(qi)輪毂末💘端(duan)處軸向流(liu)速和切向(xiang)流速的分(fen)布情況,見(jian)圖4。
 
從圖4中(zhong)可以看到(dao),受導流件(jian)輪毂的影(ying)響，流道面(mian)積減少‼️,軸(zhou)向流速增(zeng)加;在θ=90°和θ=0°兩(liang)個方向上(shang)正對導流(liu)件葉片,受(shou)其尾流的(de)影響,軸向(xiang)流速明顯(xian)要比其它(ta)兩個方向(xiang)上的軸向(xiang)流速低。從(cong)圖中同時(shi)可以看到(dao),流體經過(guo)前導流件(jian)的導流作(zuo)用後,切向(xiang)流速顯著(zhe)減🏃🏻‍♂️小,在θ=90°和(he)θ=0°兩個方向(xiang)上漩渦角(jiao)的大小基(ji)本上能滿(man)足ISO9951規定的(de)小于2°的标(biao)準，圖中以(yi)虛線表示(shi),在其它兩(liang)個方向上(shang)切向流速(su)的最大分(fen)量也不超(chao)過平均流(liu)速的🔆20%;但是(shi)其軸向流(liu)速💔的不對(dui)稱分布和(he)扁平性并(bing)沒有得到(dao)有㊙️效的改(gai)善,同樣是(shi)Case5的🛀🏻軸向流(liu)速的不對(dui)稱分布最(zui)爲顯著。
不(bu)同安裝條(tiao)件下在渦(wo)輪流量計(ji)進口和前(qian)導流件輪(lun)毂☔末端兩(liang)個橫截面(mian)上Ku、Kv、KA、以及流(liu)量計儀表(biao)系數誤差(cha)偏移的計(ji)算值見🚶‍♀️表(biao)1。
 
從表1中可(ke)以看到，造(zao)成流量計(ji)儀表系數(shu)誤差偏移(yi)💜最大的是(shi)Case4這種管線(xian)結構,達到(dao)了-1.79%,這和前(qian)述分析相(xiang)一緻。表中(zhong)的結♍果同(tong)時說明了(le)渦輪流量(liang)計中的前(qian)💰導流件消(xiao)除漩渦流(liu)的效率非(fei)常高,但是(shi)其在改善(shan)🥰速度分布(bu)的不對稱(cheng)性和扁平(ping)性上的效(xiao)果并不顯(xian)著。因此,認(ren)爲若将渦(wo)輪流🐕量計(ji)的前導流(liu)件結構進(jin)⭕行改進,采(cai)用孔闆整(zheng)流器和翼(yi)☂️式整流器(qi)相結合的(de)組合式結(jie)構,這樣🈲既(ji)能有效消(xiao)除漩渦流(liu),又能有效(xiao)改善速度(du)分布的不(bu)對稱性和(he)扁平性♈,必(bi)将顯著改(gai)善導流件(jian)的整流效(xiao)果,減少渦(wo)輪流量計(ji)進口流速(su)分布對測(ce)量精度的(de)影響🏃🏻,降低(di)其安裝要(yao)求,使其更(geng)适合用于(yu)機📱動油料(liao)裝備上的(de)計量裝置(zhi)。
5結論
本文(wen)利用數值(zhi)計算手段(duan)研究了流(liu)量計前安(an)裝有單🧑🏽‍🤝‍🧑🏻彎(wan)頭、不在同(tong)一平面内(nei)的雙彎頭(tou)以及雙彎(wan)頭之間有(you)一半圓擋(dang)闆等管線(xian)👈結構對流(liu)量計内部(bu)流場和測(ce)量精度的(de)影響,得到(dao)了以🆚下結(jie)論:
(1)由管線(xian)結構引起(qi)的流體幹(gan)擾造成流(liu)體速度分(fen)布含有漩(xuan)渦💘流💃🏻分量(liang)、軸向速度(du)分布不對(dui)稱性和扁(bian)平性,使🈚流(liu)量計計量(liang)産生誤差(cha),本文的算(suan)例中最大(da)誤差達到(dao)了-1.79%。
(2)彎頭與(yu)閥廣1開度(du)之間的相(xiang)對方向影(ying)響流量計(ji)的🔆測量⛱️精(jing)度,若流體(ti)通過彎頭(tou)和閥門時(shi)所産生的(de)漩渦流方(fang)向相同，則(ze)增加了流(liu)量計的計(ji)量誤差,反(fan)之則減少(shao)計量誤差(cha)。
(3)流量計中(zhong)前導流件(jian)能有效減(jian)少漩渦流(liu)強度,但在(zai)改善❗速度(du)分布的不(bu)對稱性以(yi)及扁平性(xing)方面的效(xiao)果并不明(ming)❓顯。

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