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[摘要]渦輪流量計性能會隨著被測流體粘度的增大而變差，為了降低介質粘度對渦輪性能的影響，采用計算流體力學CFD)仿真的方法，通過適當地增大頂端間隙，實現了對液體渦輪流量計參數的定量優化，并從葉輪尾部流場、葉片表面壓力場及葉輪受力情況等方面分析了不同的葉輪頂端問隙對葉輪性能產生影響的機理。
　　液體渦輪流量計具有測量精度高、量程寬、壓損小、輸出脈沖信號、重復性和動態響應好等多種優點。在用于低粘度液體流量測量時，在相當寬的流量范圍內，其測量精度可達0.5%~0.15%，重復性可達0.1%~0.05%。缺點在于儀表系數受被測流體粘度變化的影響較大。一般來說，粘度變化對線性.特性的影響隨著流量計口徑的減小而增大。目前，國.內渦輪流量計出廠時，一般都是用水或粘度比較低的柴油進行檢定，但很多使用者卻用其來測量液壓油、潤滑油等中粘度甚至高粘度液體的流量。這就迫切要求提高渦輪流量計在測量粘性介質時的精度。
　　通過改變葉輪葉片頂端間隙來實現渦輪的優化在.以往的文獻口.四中已有出現，但如何進行定量的優化及改變頂端間隙會對渦輪的性能造成多大的影響等，卻仍需作進一步的研究。
　　通過對不同葉輪頂隙的渦輪流量計進行計算流體力學CFD)仿真四，當流體粘度為9.1cSt時，渦輪的線性度誤差由0.987%減小至0.014%;當流體粘度為31.6eSt時，渦輪的線性度誤差由5.568%減小至3.693%。
1渦輪流量計CFD仿真方法
1.1三維仿真模型建立
　　以DN10渦輪流量傳感器為例進行研究，按照實驗所用渦輪流量傳感器的幾何結構參數建立仿真模型，如圖1所示。在渦輪前后分別增加10D的直管段以模擬實流實驗中的流動狀態。

1.2網格劃分
　　對模型的網格劃分是仿真的關鍵。網格質量直接影響仿真的求解過程和結果，若所劃網格質量太差，在后續的仿真過程中會產生很多問題，減小收斂速度，影響求解結果的準確性。在既保證網格質量又控制網格數量的條件下，對網格進行如下的劃分。
　　葉輪處結構較為復雜，所以在網格劃分時采用四面體網格，其intervalsize為0.12。在葉輪兩側定義了interface面，以聯接葉輪轉動區域和其它靜止區城。網格質量指標EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小于0.82.
1.3參數設定
　　選取SSTk-w湍流模型，對流體特性及邊界條件等都嚴格按照實流實驗進行設置，并采用多參考坐標系的方法解決轉動的流體區域流場變化問題。通過監測葉輪及輪轂的力矩，并根據驅動力矩與阻力.矩的差值對葉輪轉速大小進行調節，當力矩系數Cm值達到10-9時，認為葉輪所受力矩達到平衡，則此時的葉輪轉速即為合適的轉速。.
2葉輪頂端間隙影響的仿真
2.1頂端間隙影響的理論依據
　　當流體在管道內部流動時，渦輪流量計同時受到驅動力矩及阻力矩的作用。其中阻力矩主要包括粘性摩擦阻力矩、機械摩擦阻力矩和磁阻力矩等。而在測量粘性流體時機械摩擦阻力矩和磁阻力矩可以忽略不計。葉片邊緣與殼體內壁之間充滿了流體，因此這一形式的摩擦阻力實際上是由流體與固體壁面之間由于存在著相對運動而引起的粘性摩擦阻力。但是由于其間隙相當小，因此流體在這一狹小間隙中的流動始終認為是處在層流流動狀態，從而可直接應用納維埃一斯托克斯方程對流場求解。

　　式中:T1為葉片頂端與傳感器外殼內壁之間的粘性摩擦阻力矩，n·m;r,為葉片頂端處半徑，m;r。為流量計殼體內壁半徑，m;C為葉片寬，m;ρ為流體密度，kg/m';v為流體運動粘度，m2/s;0為葉輪旋轉角速度，rad/s。由(1)式可以看出，通過減小r,即葉片頂端處半徑可以減小粘性摩擦阻力矩。
　　雖然葉片頂端間隙的增大可以減小T1的數值，增加葉輪轉速，降低渦輪對流體粘性的敏感程度，但是由于隨著頂隙的增大，漏流也增大，這會給測量的精度帶來影響，因此要兼顧兩者以達到平衡。
2.2仿真數據
通常采用葉片頂端間隙與管道半徑之比δ對頂端間隙進行無量綱化

　　選擇了運動粘度分別為9.1cSt、31.6eSt的柴油-機油混合液，對不同頂端間隙的渦輪流量計進行仿真，仿真結果如表1所示。從表中數據可以看出，渦輪流量計在測量時，一般在小流量點處的儀表系數會小于大流量點處的儀表系數，這是造成線性度誤差的原因。對于相同粘度的流體，在相同流速時，隨著頂端間隙的增大,渦輪流量計的旋轉角速度增大，相應的儀表系數也增大。而渦輪流量計在測量粘性流體時主要受影響的是在小流量點，頂端間隙增大后，渦輪在小流量點處的儀表系數相對于大流量點得到了更大的提高,故減小了線性度誤差。即對于同一介質粘度，渦輪流量計的儀表系數受流量變化的影響在減小。

3頂端間隙影響的機理分析
　　通過分析渦輪流量傳感器內部的速度場和壓力場變化以及葉片受力情況等，可以理解在測量粘性流體時頂端間隙變化對流量傳感器特性產生影響的流體力學機理。
3.1速度場分析
　　圖2為渦輪葉片尾部流體速度矢量圖，灰色部分為葉片�？梢钥闯鲈谌~片的尾部，流體出現了流動分離。靠近葉輪的流體，其速度可以認為與葉輪的轉速相同，葉輪的轉速越慢，其尾部的低流速區越大。

　　比較圖3(a)和圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可以看出當流體粘度一定時，流量越大，葉輪的尾部低流速區越小。當頂端間隙由0.2mm增加:至0.5mm時，對于相同粘度的流體和相同的流量點，葉輪尾部低流速區變小，表明葉輪旋轉角速度增大，即儀表系數變大。但在小流量點處，低流速區的相對變化較之于大流量點處要大，即小流量點處葉輪轉速的相對變化比大流量點處要大，則儀表系數的增加值相對也大，故渦輪的線性度誤差減小。

3.2壓力場分析
　　比較圖5(a)和圖5(b)、圖6中的圖6(a)和圖6(b)，可以看出，對于相同粘度的流體，隨著流量的增大，高壓區的面積變大，且向葉片的尾部和頂端移動，致使葉片所受驅動力矩增加，葉輪旋轉角速度增大。對于相同粘度的流體在相同的流量點處，頂端間隙由0.2mm增大至0.5mm時，比較圖5和圖6可以看出，葉片表面的高壓區面積變大，且向葉片的尾部和頂端移動，致使葉輪所受驅動力矩增加，而由圖7和圖8可以看出葉片尾部的低壓區面積變小，葉輪旋轉的阻力減小，則旋轉的角速度增大，即儀表系數增大。

　　由3)式可以看出，當其它條件一定時，對于.確定的葉輪轉速，葉輪受到的粘性阻力矩也是一定的。那么，反過來亦可以通過粘性阻力矩來判斷葉輪轉速的大小。
利用Fluent中的Report可以得到渦輪流量計所受的壓力力矩和粘性阻力矩，如表2所示。

　　比較表格中的數據可以得出，對于具有相同粘度的流體和相同的流量點，當渦輪的頂端間隙增大時，葉輪所受到的粘性阻力矩變小，這直接導致了渦輪的轉速增大即儀表系數增大。在小流量點，粘性阻力矩相對減小了16.64%，在大流量點，粘性阻力矩相對減小了13.79%，這樣渦輪轉速在小流量點處相對增加較為顯著，故渦輪的線性度誤差得到了降低。
4結論
　　對具有不同頂端間隙的液體渦輪流量計進行CFD仿真分析，當流體粘度為9.leSt時，渦輪的線性度誤差由.0.987%減小至0.014%;當流體粘度為31.6cSt時，渦輪的線性度誤差由5.568%減小至3.693%。通過分析渦輪的內部流場及葉輪受力情況，可以得出以下
結論:
(1)適當增大葉輪的頂端間隙，流體粘度和流量一定時，葉輪尾部低流速區減小，葉輪旋轉角速度增大，即儀表系數變大。而小流量點處的低流速區相對變化較之于大流量點處要大，即小流量點處葉輪轉速的相對變化比大流量點處要大，則儀表系數的增加值相對也大，故渦輪的線性度誤差減小。
(2)對于相同粘度的流體，在相同的流量點，渦輪的頂端間隙適當增加時，葉片尾部的低壓區面積變小，葉片表面的高壓區向葉片的尾部和頂端移動且面積變大，致使葉輪所受驅動力矩增加，旋轉的角速度增大，儀表系數增大。
(3)對于相同粘度的流體和相同的流量點，葉輪所受到的粘性阻力矩隨著葉輪頂端間隙增大而變小，則葉輪的轉速增大，液體渦輪流量計系數增大。在小流量點，粘性阻力矩相對減小值較大流量點處更為顯著，即儀表系數相對增加值更大，故渦輪的線性度誤差得到了降低。

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