摘要：利用數值計算的方法對渦輪流量計內的三維湍流流動(dòng)進(jìn)行建模和基于N-S方程的仿真分析。數值計算采用k-ε模型來(lái)模擬湍流流動(dòng)，得到渦輪流量計的內部流場(chǎng)三維流動(dòng)形態(tài)，并分析其內部的流動(dòng)規律、流速和壓力分布；以三維湍流仿真的仿真結果為依據，對前導流器進(jìn)行了優(yōu)化。結果表明：流線(xiàn)型前導流器能降低整個(gè)流量計的壓損。

電池供電渦輪流量計是速度式流量計的一種，其測量準確度高，復現性和穩定性均好，量程范圍寬，量程比可達（10～20）：1，線(xiàn)性好，耐高壓，壓力高，壓力損失小，對流量變化反應迅速，因此它被廣泛應用于石油、化工、電力、工業(yè)鍋爐、燃氣調壓站、輸配線(xiàn)管網(wǎng)天然氣、城市天然氣管網(wǎng)等領(lǐng)域，并已被廣泛應用于貿易計算。氣體渦輪流量計的氣體流動(dòng)是*其復雜且非穩態(tài)的，若通過(guò)單純的經(jīng)驗公式理論分析與流量計性能試驗研究的常規方法確定其設計參數，難以得到理想的效果。流量計內部流場(chǎng)的流動(dòng)狀況直接決定流量計的性能，因此了解渦輪流量計內部流場(chǎng)可以改良和研制高性能渦輪流量計產(chǎn)品。國外很早就進(jìn)行了仿真研究，國內專(zhuān)家也進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究。通過(guò)CFD仿真研究了切線(xiàn)型渦輪流量計；利用數值模擬研究液體粘度對渦輪流量計的影響，利用Fluent對渦輪流量計的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析獲得壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，全面了解流量計的流場(chǎng)情況，得出指導性和方向性的結果，可以幫助選擇性能*佳的方案。本文通過(guò)Fluent模擬氣體渦輪流量計的內部流動(dòng)，分析其內部的流動(dòng)現象，獲得流量計內部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并對前導向器進(jìn)行優(yōu)化。

1、渦輪流量計的原理

渦輪流量計主要由殼體、前后導流器、葉輪組件、磁電感應轉換器等組成，其原理如圖1所示。當被測流體通過(guò)流量計時(shí)，流體通過(guò)導流器沖擊渦輪葉片，由于渦輪葉片與流體流向間有一傾角θ，流體沖擊力對渦輪產(chǎn)生轉動(dòng)力矩，使渦輪克服機械摩擦阻力矩和流動(dòng)阻力矩而轉動(dòng)；在力矩平衡后轉速穩定，渦輪的旋轉角轉速與通過(guò)渦輪的流量成正比；渦輪轉動(dòng)時(shí)，使通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生周期性的變化而產(chǎn)生與流量成正比的脈沖信號。

2、計算方法與模型選擇簡(jiǎn)化

2.1仿真模型建立與網(wǎng)格劃分

根據實(shí)際情況，本文選擇普通的DN150氣體渦輪流量計為研究對象。為了消除渦輪流量計入口的脈動(dòng)流，在流量計的入口加了0.5倍長(cháng)度的直管段，出口也加了1倍長(cháng)度的直管段。按照仿真模型的結構特點(diǎn)，采用分塊建模的方法，將模型域分為前導流件、葉輪、支架、后導流件及前后直管段等6部分。流量計參數如表1所示。

根據計算域的復雜程度，前、后導流件及葉輪旋轉區域采用四面體非結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格數為370 000。支架及前后直管段采用結構化的六面體網(wǎng)格，以節約計算資源，網(wǎng)格數為350 000。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2湍流模型的選擇與簡(jiǎn)化

本研究基于的控制方程為粘性、不可壓縮的N-S方程。

連續性方程為：

湍流模型采用Reynolds Stress模型不收斂，采用Spalart-Allmaras精度不夠，故湍流模型采用標準的k-ε

模型進(jìn)行仿真。連續性條件通過(guò)壓力修正得到滿(mǎn)足。方程的求解方法采用SIMPLE算法，方程離散過(guò)程中采用二階迎風(fēng)格式離散。

針對氣體渦輪流量計的流動(dòng)特點(diǎn)，對模型做如下簡(jiǎn)化：由于本文入口邊界為速度入口且入口速度都小于50m/s，速度的變化對氣體的密度影響很小，因此假定為不可壓縮流動(dòng)；將葉輪旋轉部分設定為相對旋轉坐標系后，流動(dòng)為定常。仿真過(guò)程邊界條件選擇如下。

入口邊界條件：雖不知道壓力條件但能容易得到入口速度，故選擇速度入口為：

式中：r為管道半徑；qv為不同流量點(diǎn)的流量；u為對應流量點(diǎn)的管道平均流量。給定流量點(diǎn)500m3/h，入口速度為7.86m/s。

出口邊界條件：自由出流，其他邊界均為壁面。采用Fluent中的MRF（多參考系）模型，給定葉輪的旋轉角速度進(jìn)行計算。數值仿真的介質(zhì)為室溫下的空氣。

3、仿真結果及分析

3.1速度場(chǎng)分析

（1）速度場(chǎng)沿軸線(xiàn)的分布中心線(xiàn)剖面速度分布如圖3所示。

由圖3可以看到，渦輪流量計內部的速度場(chǎng)近似于中心軸線(xiàn)上下對稱(chēng)，前導流器圓弧型端部中間部分速度明顯減小，靠近管壁速度增大。氣體進(jìn)入前導流器后，由于球面中間部分的阻擋，導致靠近圓弧面速度減小，且圓弧面的存在使流動(dòng)的橫截面積減小，環(huán)形通道的流速加快。

（2）葉輪進(jìn)出口截面上的速度分布葉輪進(jìn)出口截面上的速度分布分別如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，在葉輪的入口截面上，速度軸對稱(chēng)分布，這是由于所有葉片形狀完全相同且成中心對稱(chēng)分布，以及前導流器成中心對稱(chēng)并與葉輪葉片數相同，氣流流經(jīng)葉片時(shí)會(huì )與葉片迎流面發(fā)生碰撞而使得氣流速度減小，而背流面氣流由于截面減小從而使氣流加速。對比圖4和圖5可以看出，速度場(chǎng)結構非常相似，后者的速度大小明顯增大。這主要是因為旋轉的葉輪對氣流的牽連作用使得圓周方向的速度加大。

3.2壓力場(chǎng)分布

中心縱剖面壓力分布如圖6所示。葉輪進(jìn)出口壓力分布如圖7、圖8所示。

從圖6可以看出，流道的內部壓力逐漸減小。其中，前導流器球面壓損大，環(huán)形通道幾乎無(wú)壓力損失。其余部分壓力分布比較均勻。

由圖7、圖8可知，葉片迎流面上為高壓區域；沿著(zhù)流動(dòng)方向壓力逐漸降低；葉片壓力面上為低壓區域，沿著(zhù)流動(dòng)方向壓力逐漸增加。在葉片的入口截面上葉片前緣有明顯的壓力過(guò)渡，這些均說(shuō)明葉片迎流面形狀對葉輪旋轉特性有影響。葉片前緣壓力較高，這是因為氣流在流動(dòng)時(shí)，*先與葉片迎流面的前緣發(fā)生碰撞，做功較大的緣故。葉片后緣壓力也較高，是因為受邊界層的影響。

4、優(yōu)化后的流場(chǎng)

分析氣體渦輪流量計的內流場(chǎng)后，發(fā)現前導流器的結構對流量計的壓損影響*大，為減小入口氣流對前導向器中心體的碰撞影響，降低進(jìn)口的壓力損失，對前導向器做如下改進(jìn)：將圓弧型前導流器改為流線(xiàn)型。通過(guò)對圖中的模型重新進(jìn)行流態(tài)仿真，優(yōu)化后渦輪流量計內部流場(chǎng)較優(yōu)化前更加均勻穩定。改進(jìn)前后中心剖面壓力等值線(xiàn)分布如圖9、圖10所示。

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從圖9、圖10中可以看出，改進(jìn)后前導向器的壓力損失更均勻（梯度較?。?，并使其后各部分的壓損減小，從而降低了渦輪流量計整體的壓損。

5、結束語(yǔ)

為研究渦輪流量計測量過(guò)程的流態(tài)分布，本文優(yōu)化了內部流道，得到壓力損失小的渦輪流量計。通過(guò)對原型渦輪流量計內部氣體流動(dòng)規律的分析，得知前導向器的壓力損失不均勻（壓力梯度很大），可以將圓弧型前導向器改為流線(xiàn)形前導向器，降低渦輪流量計的總壓損，從而實(shí)現了渦輪流量計的氣流通道的優(yōu)化設計。