摘要(yao)：爲優(you)化小流量(liang)渦(wo)輪(lun)流量(liang)計 結構,建立小(xiao)流量(liang)渦輪流量(liang)計的數學模型和三(san)維模型,通(tong)過其(qi)流場(chang)特性(xing)進行(hang)仿真分析(xi),研究導(dao)流(liu)架端(duan)部的(de)形狀(zhuang)、葉輪(lun)與導流架(jia)之間凹槽寬(kuan)度、葉輪(lun)面積和(he)形(xing)狀對(dui)葉輪(lun)穩定旋轉(zhuan)的影響,并(bing)對不同結(jie)構導流架(jia)端部的小(xiao)流量(liang)渦輪(lun)流量計的(de)流場特性進行了分(fen)析,圓錐形(xing)結構葉(ye)輪(lun)的高(gao)壓低速(su)區(qu)面積(ji)最小，能夠(gou)有效(xiao)減少(shao)壓力損失(shi),提高(gao)流(liu)量(liang)計的(de)測量精(jing)度(du)。
0引言(yan)
　　渦輪流量(liang)計 是一種(zhong)典(dian)型(xing)的速(su)度式(shi)流量計,具(ju)有精(jing)度(du)高(gao)、重複(fu)性好、結構(gou)簡單(dan)、在石(shi)油、化工、航(hang)空航天(tian)、電力等(deng)領域有(you)着(zhe)及其(qi)重要的(de)應用中(zhong)。爲解決氣液兩(liang)相流量計量問(wen)題,文(wen)獻[2]設計了(le)一種雙渦(wo)輪質量流(liu)量(liang)計;文獻(xian)[3]針對傳(chuan)統(tong)渦輪(lun)流量(liang)計需(xu)鋪設(she)電源線(xian)和(he)信号(hao)傳輸電(dian)纜(lan),使用(yong)不方(fang)便的(de)問題(ti),設計(ji)了一(yi)種基(ji)于ARM單片機(ji)的無(wu)線渦(wo)輪(lun)流量計(ji);文獻[4]采(cai)用3葉片(pian)長螺旋形結構(gou)設計了(le)一種新型的(de)渦輪(lun)流量(liang)計;文(wen)獻[5]研(yan)究了(le)基于(yu)渦輪式氣(qi)體流量傳感器(qi)的呼氣容量計(ji)算方法;文(wen)獻[6]研(yan)究了(le)渦輪流量(liang)計變粘度(du)流量計算(suan)與校準方(fang)法;文獻(xian)[7]研(yan)究了(le)一種(zhong)高壓氣體(ti)渦輪流量(liang)計。這(zhe)些研究推動了(le)渦輪流量(liang)計研(yan)究和(he)應用,随着(zhe)小流量計(ji)量精(jing)度要(yao)求的不斷(duan)提高，小流(liu)量渦(wo)輪流(liu)量計的流(liu)場特性(xing)等(deng)受到關注(zhu)。本文從小(xiao)流量渦輪(lun)流量計設計(ji)需求出(chu)發,通過建立小(xiao)流量渦輪流量(liang)計的(de)數(shu)學模型(xing)、三維(wei)模(mo)型(xing),仿真(zhen)分析(xi)小(xiao)流(liu)量渦(wo)輪流量計(ji)的流(liu)場特性(xing)，研(yan)究其優化設計(ji)。
1渦輪(lun)流量(liang)傳感(gan)器工(gong)作原理(li)
　　渦輪流(liu)量計(ji)依靠(kao)流經(jing)管道(dao)的流(liu)體對(dui)置于管道(dao)内葉(ye)輪葉(ye)片的沖擊(ji)驅動(dong)葉輪(lun)轉動(dong),如圖(tu)1所(suo)示，其核(he)心結構包(bao)括殼(ke)體、前(qian)後導流架(jia)、葉輪(lun)、軸承(cheng)和磁(ci)鋼。其(qi)中殼(ke)體連(lian)接外(wai)部管(guan)道,固定内(nei)部(bu)結構部(bu)件,對(dui)進入殼體内的(de)流體進行(hang)微整流;葉(ye)輪空(kong)心輪毂(gu)内(nei)裝磁(ci)鋼,兩端(duan)裝(zhuang)有軸承,與(yu)導流架.配(pei)合,保證(zheng)葉(ye)輪穩(wen)定旋轉,實(shi)現流(liu)量大小(xiao)的(de)計量(liang)。
 
2小流量渦(wo)輪流(liu)量計(ji)數學模型(xing)
　　流體(ti)流速流量(liang)與葉輪(lun)角(jiao)速度成比(bi)例(li)關系,通(tong)過對渦(wo).輪(lun)葉片.上力矩的(de)分析(xi),綜合小流(liu)量渦(wo)輪流量計的葉(ye)輪結構(gou)特性及(ji)其制(zhi)造工藝,依(yi)據動量矩(ju)定理(li)得到葉輪運動(dong)方程爲:
 
　　式(1)中,J爲葉輪(lun)轉(zhuan)動動量(liang);ɷ爲葉輪旋轉角(jiao)速度(du);Md爲(wei)葉(ye)輪驅(qu)動力矩,Mr,爲(wei)葉片(pian)表面粘性摩擦(ca)阻力(li)矩;Mb爲軸與軸承(cheng)間的(de)粘性(xing)摩擦阻力矩;Mh爲(wei)輪毂周(zhou)面(mian)上粘(zhan)性摩擦阻力矩(ju);Mw爲輪(lun)毂端面上(shang)的粘(zhan)性(xing)摩擦阻(zu)力矩(ju);Mt爲(wei)葉片頂(ding)端與(yu)殼(ke)體(ti)間隙(xi)的粘(zhan)性(xing)摩擦阻(zu)力矩;Mm爲電磁阻(zu)力矩(ju)和軸承上(shang)摩擦阻力矩之(zhi)和。
式(1)中(zhong):
 
　　式(3)中ρ爲(wei)流體密度(du);Q爲流(liu)體體積(ji)流量;u1爲(wei)流體(ti)的(de)軸(zhou)向來(lai)流速(su)度(du);u2爲(wei)流體(ti)流出(chu)時(shi)葉片速(su)度;a1爲(wei)流體流人(ren)時與(yu)葉輪(lun)圓周(zhou)方向的夾(jia)角;a2爲(wei)流體流(liu)出(chu)葉片(pian)與葉輪圓周切(qie)向的夾(jia)角(jiao);如圖(tu)2葉片入口(kou)和出(chu)口的速度(du)平面(mian)圖所(suo)示。
　　當流量(liang)恒定時(shi),式(3)中ρ、Q、u1、a1爲(wei)已知(zhi)量,考(kao)慮到(dao)葉輪葉片(pian)旋轉(zhuan)方向(xiang)上流(liu)體進(jin)出口線(xian)速(su)度相(xiang)同,記(ji)進(jin)出口線(xian)速度(du)分别設爲Ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記(ji)流體與葉(ye)輪葉(ye)片(pian)出(chu)入口的相(xiang)對角(jiao)速度(du)分别(bie)爲ɷ1和(he)ɷ2,則圓(yuan)周運(yun)動(dong)方向夾(jia)角β2與葉片與軸(zhou)線結(jie)構(gou)夾角θ之(zhi)間有式(shi)(4)所(suo)示關(guan)系:
 
 
　　式(9)中(zhong),ɷh?爲輪毂(gu)處角(jiao)速(su)度(du);βw爲平(ping)均相(xiang)對流速方(fang)向與葉輪(lun)軸線(xian)間角(jiao)度;Ah爲葉片(pian)部分(fen)輪毂面積(ji),R0爲葉(ye)輪所在殼(ke)體内(nei)徑(jing),Rh爲(wei)輪毂半徑
輪毂(gu)周面(mian)粘性摩擦(ca)阻力(li)矩Mhf爲(wei):
 
3渦(wo)輪(lun)流量(liang)計三維(wei)流場仿(pang)真與(yu)優(you)化設計(ji)
3.1葉輪三維(wei)模型建立(li)
　　基于(yu)上述(shu)分析可(ke)見，葉輪(lun)的運(yun)動特性主(zhu)要受(shou)其結(jie)構參(can)數、流(liu)體粘性系(xi)數等影響。爲分(fen)析小(xiao)流(liu)量渦輪(lun)結構(gou)的流場特性,設(she)計參數如(ru)表1所(suo)示葉輪系(xi)統,借(jie)助UG軟件建(jian)立其(qi)三維仿真(zhen)模型(xing);将(jiang)該(gai)三維(wei)模型導(dao)入(ru)ANSYSWork-bench軟件(jian)中仿(pang)真(zhen)。
 
　　考慮到(dao)葉輪的(de)運(yun)動性(xing)能是流量計量(liang)的核心,仿真中(zhong)采用(yong)小(xiao)四面體(ti)網格。小(xiao)尺寸窄(zhai)表面(mian)采(cai)用局部(bu)網格(ge),渦輪(lun)旋轉(zhuan)區劃(hua)分的網格(ge)數約(yue)爲230萬,整個模型劃(hua)分(fen)的網(wang)格總(zong)數爲(wei)353萬。
3.2葉(ye)輪流場特(te)性分(fen)析
3.2.1葉(ye)輪(lun)速度場(chang)分析
　　分别(bie)取流(liu)量爲5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對(dui)葉(ye)輪流(liu)場仿(pang)真(zhen)分析,獲(huo)得上述流(liu)量下(xia)葉輪(lun)後導(dao)流架(jia)後端速度(du)矢量(liang)圖(圖(tu)3(a),(b),(c)所示),可見(jian)流體與前導流(liu)架前(qian)端碰撞産(chan)生低速(su)區(qu)，靜壓(ya)力變(bian)大(da),且(qie)随流(liu)量增大而變大(da),壓力(li)損(sun)失(shi)明顯(xian);流體進入(ru)前導流架(jia)後,流速加(jia)快,雷諾(nuo)數(shu)增加(jia),湍流(liu)強度變大(da)。流體進入(ru)葉輪(lun)前，先流經葉輪(lun)與前後導(dao)流架連接的槽,由于(yu)槽内流速(su)低,此時流(liu)量的速度(du)分布不均(jun),且有(you)強渦(wo)流産生。回(hui)流導(dao)葉(ye)尾(wei)端速(su)度矢量(liang)圖(tu)如圖(tu)3(d)所示,流體在後(hou)導流(liu)架(jia)後(hou)端出(chu)現長尾流(liu),尾流(liu)長度(du)随流量增(zeng)大而減(jian)小。
 
 
3.2.2壓力場分(fen)析
　　分析上(shang)述三個(ge)不(bu)同流(liu)量時流道内壓(ya)力場,發現(xian)随着流量(liang)增加,葉輪(lun)、導流架(jia)上遊面形成的(de)靜壓變(bian)高,葉片上(shang)遊面(mian)和葉(ye)片(pian)下(xia)遊面(mian)的壓(ya)力随(sui)着流(liu)量的增(zeng)加(jia)而減(jian)小(如(ru)圖4所(suo)示),可(ke)見,導流(liu)架(jia)端部(bu)的形狀、葉(ye)輪與(yu)導流架(jia)之間凹(ao)槽寬(kuan)度、葉輪面(mian)積和(he)形(xing)狀對葉(ye)輪穩定旋轉均有明(ming)顯(xian)影響。
3.3結(jie)構優化(hua)設計
3.3.1導(dao)流架(jia)頭(tou)部結構(gou)設計(ji)
　　基于(yu)上述(shu)CFD仿真分析結果(guo),爲有(you)效減小葉(ye)輪壓力.損失,将(jiang)原導流(liu)架頭部(bu)的球(qiu)形(xing)分别設(she)計橢球型(xing)和圓(yuan)錐形(xing),改進後的(de)導流架(jia)頭(tou)部尺寸如(ru)圖5所(suo)示。
 
3.3.2結(jie)構優化(hua)後葉輪三維(wei)流場(chang)特性(xing)
　　基于(yu)上(shang)述結構(gou),仿真(zhen)流(liu)量(liang)爲Q=5.2184L/min和(he)Q=16.6981L/min時，不(bu)同導(dao)流架(jia)結構下葉(ye)輪速(su)度場,由(you).圖(tu)6可見,圓錐(zhui)形結構葉(ye)輪的高壓(ya)低速區面(mian)積(ji)最小,其(qi)次是橢(tuo)圓形體,球形結構葉輪(lun)的高(gao)壓低(di)速區面積最大(da),圓錐(zhui)形結(jie)構能(neng)夠有(you)效減(jian)少壓(ya)力損(sun)失,提(ti)高流(liu)量計(ji)的測(ce)量精度。在(zai)前導流(liu)架(jia)環狀(zhuang)流動路(lu)徑中，圓(yuan)錐形流體(ti)的速(su)度分布最均勻(yun)的，橢圓(yuan)體結構(gou)次之(zhi),球(qiu)形(xing)結構(gou)最差,圓錐結構(gou)具有較好的整(zheng)流效果。
流(liu)量爲(wei)Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shi),改進後導(dao)流架頭部(bu)形狀(zhuang)後端(duan)形成的尾(wei)流如圖7所(suo)示。圓錐形(xing)結構尾流(liu)面積最(zui)小,橢球形較(jiao)小，球形結(jie)構尾流(liu)面(mian)積最大,三(san)種(zhong)形狀的(de)尾流中均有渦(wo)流出現(xian),圓錐形(xing)産生(sheng)渦流(liu)最小(xiao),壓力損失最小(xiao)。
4結論
　　本文(wen)從小(xiao)流量(liang)渦輪流量(liang)計設計需(xu)求出(chu)發,通過建立小(xiao)流量(liang)渦(wo)輪(lun)流量計的(de)數(shu)學模型(xing)、三維模型(xing),基于(yu)小流(liu)量(liang)渦輪流(liu)量計的流場特性,優化改(gai)進了(le)其導(dao)流(liu)架(jia)結構,所得(de)結(jie)論如下(xia):
(1)由于流體對前(qian)導流架沖(chong)擊,會(hui)導緻葉輪(lun)靜壓(ya)力變.大,流(liu)道面(mian)積變(bian)小,流(liu)速增大,經(jing)前導(dao)流架(jia)進人葉輪(lun)旋轉(zhuan)區後随葉(ye)輪旋(xuan)轉形成旋流。
(2) 随着流(liu)量增加,葉(ye)輪、導(dao)流架(jia)上遊(you)面形成(cheng)的靜壓(ya)變高(gao),葉片上遊(you)面和葉片下遊(you)面的(de)壓力(li)随着(zhe)流量(liang)的增加.而(er)減小。
(3)圓錐(zhui)形結(jie)構葉輪的高壓(ya)低速區(qu)面積最(zui)小，能(neng)夠有效減(jian)少壓力損(sun)失,提(ti)高流(liu)量(liang)計的測(ce)量精(jing)度。此外,在(zai)前導(dao)流架環狀(zhuang)流動路(lu)徑(jing)中,圓錐形流體的速(su)度分(fen)布(bu)最(zui)均勻(yun)的，較橢圓體球(qiu)形導流架(jia)結構(gou),圓錐(zhui)結(jie)構具有(you)最好的整(zheng)流效(xiao)果。

本(ben)文來源于(yu)網絡,如(ru)有(you)侵權聯系(xi)即(ji)删(shan)除！