摘(zhai)要(yao):利用(yong)數值計(ji)算(suan)方法研究(jiu)了(le)不同安(an)裝條件對渦輪(lun)流量(liang)計(ji) 性能的(de)影響(xiang)。計算(suan)結果分析表明(ming),安裝(zhuang)于流(liu)量計(ji)前的(de)單彎(wan)頭、雙(shuang)彎頭(tou)以及閥(fa)門等管(guan)道配(pei)件都(dou)會造(zao)成流體速(su)度趨于扁平分(fen)布和(he)不對(dui)稱(cheng)分(fen)布以及産(chan)生漩渦流(liu),都是影響(xiang)流量(liang)計計(ji)量精(jing)度的(de)主要原(yuan)因(yin)。合理(li)布置(zhi)彎頭和閥(fa)門開度的方向(xiang),使流(liu)體通過兩(liang)者時産生(sheng)的漩(xuan)渦流(liu)旋轉方向(xiang)相反,則(ze)有利于降低流量計進(jin)口前漩渦(wo)流的(de)強度(du),減少對流(liu)量計(ji)測量(liang)精度(du)的影(ying)響。渦輪流(liu)量計的前導流(liu)件能有(you)效(xiao)消除(chu)流體速(su)度(du)中的(de)漩渦(wo)流分量,但(dan)在校(xiao)正速(su)度分(fen)布的不對(dui)稱性(xing)和扁(bian)平性(xing)方面(mian)效果(guo)并不顯著(zhe)。
1引言
渦輪流量(liang)計的測(ce)量精度(du)易受到流量計(ji)前管線安裝條(tiao)件的影響。一般(ban)管線系統中的(de)各種(zhong)管配(pei)件,包括閥(fa)門(men)、彎頭、變(bian)徑管等所(suo)産生(sheng)的流(liu)體幹擾都(dou)會引(yin)起流體速(su)度分布發生畸(ji)變,産(chan)生漩(xuan)渦流(liu)和非(fei)對稱流等(deng)，影響了渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的測量精(jing)度。安裝條件對(dui)渦輪(lun)流量計性(xing)能的影響(xiang)早就(jiu)引起(qi)各(ge)國學者(zhe)的廣泛(fan)關(guan)注,并對此(ci)問題進行(hang)了較(jiao)爲系統的實驗(yan)研究。先後(hou)利用實驗研究了渦輪流量計(ji)進口(kou)前裝(zhuang)有90°彎頭、不(bu)在同(tong)一平(ping)面内的(de)雙(shuang)彎頭(tou)、IS09951推薦的能夠産(chan)生高(gao)和低(di)流體(ti)幹擾(rao)的管(guan)線結(jie)構以及閥(fa)門]等(deng)對渦(wo)輪流量計(ji)測量精度的影(ying)響。
近幾年數值(zhi)計算方法(fa)逐漸(jian)應用于渦(wo)輪流(liu)量計的研究中(zhong)(8-12],與實(shi)驗方法相(xiang)比,數值(zhi)計(ji)算方(fang)法具有(you)成(cheng)本低(di)、更能(neng)提(ti)供詳細(xi)的三(san)維(wei)流場以(yi)及能掌握(wo)管線(xian)結構(gou)引起的各(ge)種流(liu)體(ti)幹(gan)擾的(de)衰減(jian)規律等優(you)點。數(shu)值計(ji)算方(fang)法的(de)有效(xiao)性也(ye)逐漸得(de)到了驗(yan)證E[8.12].但是(shi)迄(qi)今爲(wei)止仍未見(jian)文獻(xian)報道利(li)用(yong)數值(zhi)計算(suan)手(shou)段(duan)研究安裝(zhuang)條件對渦(wo)輪流量(liang)計性能(neng)的影(ying)響(xiang)。
另(ling)一方(fang)面,機(ji)動油(you)料裝(zhuang)備逐(zhu)漸向(xiang)小型(xing)化發展(zhan),選(xuan)用計(ji)量裝(zhuang)置時通常(chang)考慮選用測量(liang)精度(du)高、質量輕(qing)的流(liu)量計(ji)，如渦(wo)輪流(liu)量計。然而(er)渦輪(lun)流(liu)量(liang)計對(dui)前後(hou)直管段的(de)要求限制(zhi)了其(qi)在機(ji)動油(you)料裝(zhuang)備上(shang)的使(shi)用。爲此,本文利(li)用數(shu)值計(ji)算手(shou)段就(jiu)流量(liang)計進口前(qian)裝有90°彎(wan)頭、不在(zai)同-平(ping)面内的雙(shuang)彎頭以及(ji)雙彎(wan)頭之(zhi)間有(you)一個(ge)半圓形(xing)擋(dang)闆三種安裝條件對(dui)流量計内(nei)部流(liu)場以(yi)及(ji)測(ce)量精(jing)度的影響(xiang)進行(hang)研究(jiu),爲渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在機動油(you)料裝(zhuang)備上(shang)的應(ying)用提供指(zhi)導。.
2流(liu)體速(su)度分(fen)布的(de)特征參數(shu)
流體(ti)幹擾影(ying)響(xiang)渦輪(lun)流量(liang)計測(ce)量精(jing)度的(de)速度畸變(bian)主要(yao)體(ti)現(xian)在三個方(fang)面:速度分(fen)布的扁平(ping)性、漩(xuan)渦流(liu)和速度分(fen)布的(de)非(fei)對(dui)稱性(xing)。爲了(le)能定量描(miao)述流(liu)體幹(gan)擾引(yin)起的(de)速(su)度畸變(bian),Mickan定義(yi)了軸(zhou)向動(dong)量數(shu)K。、漩流數K,和(he)非對稱(cheng)數(shu)K,三個(ge)特征(zheng)參(can)數5)。本文(wen)引人(ren)這(zhe)三(san)個參數,以(yi)便于後面(mian)的分析。
軸(zhou)向動量數(shu)K。用(yong)于衡量(liang)流體(ti)軸向(xiang)動量(liang)通量(liang)的轉動力(li)矩的大(da)小(xiao),其計(ji)算式(shi)爲:
 
式(shi)中:u爲(wei)軸向(xiang)流速(su),um爲平(ping)均流(liu)速,r爲徑向(xiang)坐标，ρ爲流體密(mi)度,R爲(wei)管(guan)線(xian)半徑(jing),A爲管線的橫截面積。對(dui)于(yu)充分(fen)發展流(liu),Ku爲定值,約爲(wei)0.62,而(er)我們所(suo)關心的是充分(fen)發展(zhan)流與幹擾(rao)流之間的差别(bie)，故常(chang)用反映兩(liang)者差(cha)别的參量(liang)△Ku(其值(zhi)等于Ku-Ku0),它對(dui)渦輪流量(liang)計的測量(liang)精(jing)度具有(you)較大的(de)影(ying)響。.
漩(xuan)流數Kv用于衡量(liang)軸向漩(xuan)渦(wo)的強度。由(you)于渦輪流(liu)量計(ji)的轉(zhuan)速易(yi)受漩渦流的影(ying)響,因此Kv的(de)大小(xiao)對其(qi)有重(zhong)要的(de)影響。其計(ji)算式爲:
 
式中:v爲切向(xiang)流速。
非對稱數(shu)KA用于(yu)衡(heng)量速度(du)分布對稱(cheng)性的(de)程度(du),用(yong)管(guan)線橫(heng)截面上流(liu)體質(zhi)心與對稱軸之(zhi)間的(de)距離來表(biao)示,其(qi)計算(suan)式爲(wei):
 
式中:y、z分别爲管(guan)線橫(heng)截面上的(de)直角坐(zuo)标,m爲質(zhi)量流(liu)量。
3數值計(ji)算模型
3.1基本方(fang)程組
描述渦輪(lun)流量計内(nei)部流場的(de)基本方程(cheng)組爲(wei)連續(xu)性方(fang)程、N-S運(yun)動方程和(he)紊流(liu)模(mo)型。目前(qian)還沒(mei)有(you)普遍适(shi)用的(de)紊流(liu)模型(xing),本文(wen)選用較常(chang)用的(de)标準(zhun)k-ε雙方程模(mo)型。模型方(fang)程中相(xiang)關(guan)系數取值(zhi)分别爲:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網(wang)格劃分和(he)邊界(jie)條件(jian)
在數值計(ji)算過程中,渦輪(lun)流量計的葉輪(lun)處于旋(xuan)轉(zhuan)狀态(tai),故葉(ye)輪部分的(de)網格劃(hua)分(fen)疏密對計(ji)算結果的(de)正确率具(ju)有重(zhong)要的影響(xiang),在網(wang)格劃分(fen)時對葉輪表面(mian)的(de)網格(ge)進行了(le)适(shi)當的(de)局部加密處理(li)。前、後(hou)導流(liu)件部(bu)分區域(yu)采用六(liu)面體網格(ge),其他(ta)區域(yu)采用四面(mian)體網格(ge),葉(ye)輪部(bu)分全(quan)部采用四(si)面體(ti)網(wang)格,單流(liu)量計(ji)計(ji)算(suan)區域(yu)内網格(ge)總(zong)數爲(wei)97.31萬個(ge),其中葉輪(lun)部分的網格總(zong)數爲(wei)67.42萬(wan)個(ge)。
爲了(le)減少在計(ji)算過程中因計算域(yu)進口與出(chu)口位(wei)置對(dui)渦輪流量(liang)計内(nei)部流(liu)場的影響(xiang),本文計算(suan)域的進(jin)口(kou)與出(chu)口适當向外作(zuo)了延(yan)伸(shen)，上遊直(zhi)管段長(zhang)度爲.5D,下(xia)遊爲10D。進口(kou)采用(yong)圓管紊(wen)流流速(su)分布的1/7律(lü)來确(que)定。凡(fan)與(yu)流(liu)體相(xiang)接觸(chu)的所(suo)有固(gu)體界(jie)面上采用(yong)無滑(hua)移固(gu)體璧面條(tiao)件,出口施(shi)加定靜壓(ya)。
4數值(zhi)計算(suan)
4.1流量計前(qian)的管(guan)線結(jie)構
文(wen)中采用(yong)的(de)渦輪(lun)流量(liang)計結構如圖1所示。流(liu)量計(ji)的内徑爲(wei)15mmm,葉輪(lun)葉片數(shu)爲(wei)4片,前(qian)、後導(dao)流件采用橢球(qiu)形(xing)端面。
 
本(ben)文主要(yao)分析了(le)Casel~Case5等5種結(jie)構，見(jian)圖2。
 
Case1:流量計(ji)前是一長(zhang)爲5D的(de)直管(guan)段。
Case2:90°的彎頭(tou)，其前有一(yi)5D長的(de)直管(guan)段(duan)。考(kao)慮到(dao)機動油料(liao)裝備上流(liu)量(liang)計的安(an)裝空間(jian)非(fei)常受限，彎頭與流量(liang)計進口之間的(de)距離設(she)爲(wei)1D。
Case3:不在(zai)同一(yi)平面(mian)内的(de)雙彎(wan)頭,兩彎頭(tou)之間有(you)一長爲0.5D的直(zhi)管段,進口(kou)管段長(zhang)度(du)和第(di)二個(ge)彎(wan)頭(tou)與流(liu)量計進口(kou)的距離同Case2。
Case4:在(zai)Case3的(de)雙彎(wan)頭中(zhong)間位(wei)置上(shang)布置了一(yi)個1mm厚(hou)的半(ban)圓(yuan)薄(bao)闆，薄闆位于雙(shuang)彎頭(tou)的外側位(wei)置。
Case5:除(chu)了半圓薄(bao)闆的(de)位置在雙(shuang)彎頭的内側外(wai),管線(xian)結構同Case4。
研(yan)究Case4和(he)Case5的管(guan)線結構主(zhu)要目(mu)的有(you)兩個:一是(shi)研(yan)究(jiu)閥門(men)對流(liu)量計(ji)測量(liang)精度(du)的影響;二(er)是閥門(men)開度與彎頭的相(xiang)對方(fang)向不(bu)同(tong)時(shi)對流(liu)量計測(ce)量精度(du)的影響。
4.2計(ji)算結果與分(fen)析
計算(suan)參數:流體(ti)的進(jin)口平均(jun)速度um爲(wei)5m/s,計算介質爲20℃的(de)水。
 
圖(tu)3示出了不(bu)同條件下(xia)渦輪(lun)流量(liang)計進(jin)口處(chu)在4個(ge)方(fang)向(xiang)上的(de)軸向(xiang)和切向流(liu)速分(fen)布。從(cong)圖中可以(yi)看到(dao),對于(yu)Casel這種(zhong)管線(xian)結構,軸向(xiang)流速(su)符合(he)充分(fen)發展(zhan)流的(de)速度分布,切向(xiang)流速分量(liang)很小(xiao)。而且(qie)在(zai)進口橫(heng)截面上(shang)，根(gen)據式(shi)(1)~(3)計算(suan)得(de)到Ku0等于(yu)0.62,Kv和KA分别(bie)等于0,因此可作(zuo)爲參考(kao)量用于其(qi)它管線結構的分析(xi)。本文(wen)對(dui)所(suo)有計算結果(guo)的分析(xi)都以(yi)此作(zuo)爲參(can)考進(jin)行(hang)的(de)。
當流(liu)量計前裝有90°彎頭時(shi)(Case2)，軸(zhou)向(xiang)流速(su)在管(guan)線對(dui)稱軸上附(fu)近(jin)表現爲(wei)最小，然後(hou)向管(guan)壁兩(liang)側(ce)增加,呈(cheng)現了非(fei)對稱的馬鞍(an)型分布,且(qie)切向(xiang)流速(su)表現出了(le)二次(ci)流現(xian)象。
當流量計前的管(guan)線(xian)結構爲(wei)不在(zai)同一(yi)平面(mian)内的雙彎頭時(shi)(Case3)，軸向流速(su)出現(xian)了與Casel相似的非(fei)對稱(cheng)的(de)馬(ma)鞍型分布,不過其不(bu)對稱(cheng)程度(du)要比(bi)Casel小，但流(liu)速(su)更呈(cheng)扁平分(fen)布(bu);切向(xiang)流速同(tong)樣(yang)出現(xian)了二次流(liu)現象,其漩(xuan)渦(wo)強(qiang)度則(ze)要比Casel強得(de)多。
對于兩(liang)個彎頭之(zhi)間有一半(ban)圓薄(bao)擋闆(pan)的(de)兩(liang)種管(guan)線結構Case4和(he)Case5,軸向(xiang)流速的(de)不對稱(cheng)分布非(fei)常(chang)嚴重。除了(le)在θ=90°這個方(fang)向上軸(zhou)向(xiang)流速呈馬鞍型(xing)分布(bu)外,在其(qi)餘(yu)三個(ge)方向(xiang)上幾(ji)乎是(shi)從管璧的一.側(ce)向另-側(ce)單調遞(di)增的趨勢。不過(guo),兩種(zhong)管線結構(gou)的切向流(liu)速則(ze)表現(xian)出了(le)不同(tong)的分布趨勢。當(dang)半圓薄闆布置(zhi)在雙彎頭的外側(Case4),流(liu)體速度中(zhong)含有(you)很(hen)強(qiang)的切向流(liu)速分布,其(qi)最大(da)值幾(ji)乎達到了平均流速(su)的60%。當(dang)半圓薄闆(pan)布置(zhi)在雙彎頭(tou)的内側(Case5),切(qie)向流(liu)速分(fen)量要(yao)比Case4的(de)小得多,甚至小(xiao)于Case3。
造(zao)成(cheng)這種差(cha)别主要(yao)是(shi)由于(yu)對于(yu)Case4,流(liu)體(ti)通過(guo)半圓薄(bao)闆後産(chan)生的(de)漩(xuan)渦(wo)方向(xiang)和通過(guo)彎(wan)頭後(hou)産生的漩(xuan)渦方(fang)向相同(tong)，因(yin)此在(zai)流量(liang)計(ji)進(jin)口前(qian)表現(xian)出比Case3更高(gao)的切(qie)向流(liu)速分(fen)量,而(er)Case5的(de)情況則反之。由(you)于這個(ge)原因,Case4計(ji)算(suan)得到(dao)的渦輪流量計(ji)儀表系數(shu)與Casel相比,其(qi)誤差偏移(yi)爲-1.79%,而CaseS則僅(jin)爲-0.23%,見表1。這(zhe)個(ge)計算結(jie)果同(tong)時說(shuo)明了(le)在渦(wo)輪(lun)流量計(ji)前合理布(bu)置彎(wan)頭和閥i]開度之(zhi)間的相對(dui)方向(xiang),有助(zhu)于(yu)降低漩(xuan)渦流(liu)的強度，從(cong)而減少對流量(liang)計量性能(neng)的影響。同(tong)樣我們研(yan)究了流體(ti)通過(guo)前導(dao)流(liu)件後在(zai)其輪毂末(mo)端處軸向流速和切(qie)向流速(su)的(de)分布(bu)情況(kuang),見圖4。
 
從圖(tu)4中可(ke)以看(kan)到,受(shou)導流(liu)件輪毂的(de)影響(xiang)，流道面積減少(shao),軸(zhou)向流速(su)增加;在θ=90°和(he)θ=0°兩個方向上正(zheng)對導(dao)流件葉片(pian),受其尾流(liu)的影響,軸(zhou)向流速明顯要(yao)比其(qi)它兩個方(fang)向上的軸(zhou)向流速低(di)。從圖(tu)中同(tong)時可(ke)以看(kan)到,流體經(jing)過(guo)前導流(liu)件的(de)導流(liu)作用後,切向流(liu)速顯(xian)著減(jian)小,在(zai)θ=90°和θ=0°兩(liang)個方向上漩渦(wo)角的大小(xiao)基本上能(neng)滿(man)足ISO9951規定(ding)的小于(yu)2°的(de)标準(zhun)，圖中(zhong)以(yi)虛線表(biao)示,在其它兩個(ge)方向上切(qie)向流(liu)速的最大分量也不超過平均(jun)流速的20%;但(dan)是其(qi)軸向(xiang)流速的不(bu)對稱分布和扁(bian)平性并(bing)沒(mei)有得(de)到有效(xiao)的改善,同樣(yang)是(shi)Case5的軸向(xiang)流速的不對稱(cheng)分布(bu)最爲顯著(zhe)。
不同安裝(zhuang)條件(jian)下在(zai)渦輪流量(liang)計進口(kou)和(he)前導(dao)流件(jian)輪毂末端(duan)兩個橫截面上Ku、Kv、KA、以及流量計儀(yi)表系數誤(wu)差偏移的(de)計算值見(jian)表1。
 
從表1中可以(yi)看到(dao)，造成(cheng)流量(liang)計儀(yi)表系(xi)數誤差偏(pian)移(yi)最大的(de)是Case4這(zhe)種管(guan)線結構,達(da)到(dao)了-1.79%,這和(he)前述(shu)分(fen)析(xi)相一(yi)緻。表(biao)中的結果(guo)同時(shi)說明(ming)了渦(wo)輪流(liu)量(liang)計(ji)中的(de)前導流件消除(chu)漩渦(wo)流(liu)的(de)效率(lü)非常高(gao),但(dan)是其在改善(shan)速度分(fen)布的(de)不對稱性(xing)和扁(bian)平(ping)性(xing)上的(de)效果并不(bu)顯著。因此,認爲若将(jiang)渦輪流(liu)量(liang)計的前導流件(jian)結構(gou)進行改進(jin),采用(yong)孔闆(pan)整流(liu)器和(he)翼式整流(liu)器相結合(he)的組合式(shi)結構,這(zhe)樣(yang)既能(neng)有效(xiao)消除漩渦(wo)流,又能有效改善速(su)度分布的(de)不對(dui)稱性和扁(bian)平性(xing),必将顯著(zhe)改善導流件的(de)整流(liu)效(xiao)果,減少(shao)渦輪(lun)流量(liang)計進口流速分布對(dui)測量精(jing)度(du)的影(ying)響,降低其安裝(zhuang)要求(qiu),使(shi)其(qi)更适(shi)合用于機動油(you)料裝備(bei)上(shang)的計(ji)量裝(zhuang)置。
5結論
本(ben)文利用數(shu)值計(ji)算手(shou)段研(yan)究了(le)流量計(ji)前(qian)安裝(zhuang)有單(dan)彎(wan)頭(tou)、不在(zai)同一平(ping)面(mian)内的(de)雙彎(wan)頭以(yi)及雙(shuang)彎頭(tou)之間(jian)有一(yi)半圓擋闆等管(guan)線結構(gou)對(dui)流量(liang)計内(nei)部流(liu)場和(he)測量精度的影響,得(de)到(dao)了(le)以下(xia)結論(lun):
(1)由管線結(jie)構引(yin)起(qi)的流體(ti)幹擾(rao)造(zao)成(cheng)流體(ti)速度(du)分(fen)布含有(you)漩渦流(liu)分(fen)量、軸(zhou)向速(su)度(du)分布不(bu)對稱性和扁平(ping)性,使(shi)流量計計(ji)量産生誤差,本(ben)文的算例(li)中最(zui)大誤差達(da)到了(le)-1.79%。
(2)彎頭與(yu)閥廣1開(kai)度之間的(de)相對(dui)方向(xiang)影響(xiang)流量(liang)計的(de)測量精度(du),若流體(ti)通過彎(wan)頭和閥門(men)時所(suo)産生(sheng)的漩(xuan)渦流(liu)方向相同(tong)，則增(zeng)加了流量計的(de)計量(liang)誤差(cha),反之(zhi)則減(jian)少計量誤(wu)差。
(3)流(liu)量計(ji)中前導流(liu)件(jian)能有效(xiao)減少漩渦(wo)流強(qiang)度,但在改善速(su)度分布(bu)的(de)不對(dui)稱性(xing)以及(ji)扁平(ping)性方面的(de)效果(guo)并不(bu)明顯。

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