氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式的流量傳感器，具有測量精度高、量程范圍廣、可靠性好以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國西氣東輸工程的全線貫通，縱橫交錯(cuò)的天然氣管網(wǎng)使我國形成世界上天然氣管網(wǎng)。氣體渦輪流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于天然氣管網(wǎng)中的貿(mào)易計(jì)量，市場前景廣闊。氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其性能優(yōu)化在流量計(jì)量領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。
將氣體渦輪流量計(jì)前整流器的葉片截取合適切角，發(fā)現(xiàn)當(dāng)葉片切角參數(shù)為0.25時(shí)流量計(jì)的性能最好。對前整流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到了流量計(jì)壓力損失和線性度誤差均為最小時(shí)前整流器的葉片數(shù)與長度。在前導(dǎo)流體研究方面.將前導(dǎo)流體直徑、前導(dǎo)流體與輪轂間距作為改進(jìn)參數(shù),比較了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下氣體渦輪流量計(jì)的性能指標(biāo)。用流線型前導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)半球形前導(dǎo)流體，使得流量計(jì)的壓力損失降低了近33%。一種三葉片長螺旋葉輪結(jié)構(gòu)，流量計(jì)測量的重復(fù)性明顯提高,測量的相對示值誤差明顯降低�；陧憫�(yīng)面法和正交試驗(yàn)法，得出了影響流量計(jì)性能的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)順序?yàn)?葉輪頂端半徑>葉輪葉片數(shù)>葉輪輪轂長度>葉輪輪轂半徑。在后導(dǎo)流體方面，優(yōu)化了后導(dǎo)流體的葉片倒角。發(fā)現(xiàn)流量計(jì)的壓力損失隨著葉片倒角的增大而增加。通過數(shù)值模擬對流量計(jì)內(nèi)部的流場特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)后導(dǎo)流體產(chǎn)生的壓力損失達(dá)到了總壓力損失的55%。
綜上所述,前人對氣體渦輪流量計(jì)的研究主要集中在葉輪、前整流器與前導(dǎo)流體部分，而對后導(dǎo)流體與表芯支座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其性能優(yōu)化目前還較為少見。實(shí)際上,后導(dǎo)流體在流量計(jì)中對流體起到穩(wěn)流和導(dǎo)流的作用,表芯支座是固定葉輪的主要結(jié)構(gòu),它們均會對流量計(jì)的性能產(chǎn)生影響。因此,以TM80氣體渦輪流量計(jì)為對象,采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方式,研究流量計(jì)內(nèi)部的流場特.征，提出針對表芯支座和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，進(jìn)而評估優(yōu)化前后流量計(jì)的性能指標(biāo),探索出提高流量計(jì)計(jì)量性能的方法。
1.數(shù)值模擬方法
氣流在氣體渦輪流量計(jì)內(nèi)部的流動遵循流體力學(xué)的基本方程，即滿足流體運(yùn)動的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。質(zhì)量守恒方程和動量守恒方法表示為：
式中:xi，xi為空間坐標(biāo)分量，ui，uj為流體流動速度分量:p為靜壓，pij為應(yīng)力張量ƒi為體積力分量。
由于流量計(jì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,氣流在流量計(jì)內(nèi)部的運(yùn)動往往呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)對湍流的模擬，需要額外引入湍流模型。本文選取RNGk-ε模型作為湍流模型，其湍流動能h和耗散率ε的輸運(yùn)方程表示為:
式中:Gk表示平均速度梯度所產(chǎn)生的湍流動能.αε，αk分別表示ε和h的擴(kuò)散率,C1ε、C2ε為系數(shù)。
由于氣流運(yùn)動與葉輪旋轉(zhuǎn)存在相互作用，需要引入扭矩模型根據(jù)力矩平衡原理,葉輪旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動方程可以表示為:
式中:J為葉輪慣性力矩，單位為kg·m2;dɷ/dt為葉輪角加速度，單位為rad/s2;M1為流體對葉輪驅(qū)動力矩;M2為軸承摩擦阻力矩，單位為N·m;M3為黏性阻力矩，單位為N·m;M4為磁阻力矩，單位為N·m;t為時(shí)間，單位為s。
采用Fluent軟件求解流量計(jì)內(nèi)部氣流的運(yùn)動方程。為了消除管道進(jìn)口段效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，在流量計(jì)的進(jìn)出口均增加了10D的直管段(D為機(jī)芯直徑)。由于給定了流體的體積流量,進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件,進(jìn)口平均速度通過u=Qv/A確定,方向與進(jìn)口直管段截面垂直;出口為大氣壓，壁面采用無滑移邊界。為了求解葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程，把整個(gè)計(jì)算區(qū)域分解為靜區(qū)域和葉輪旋轉(zhuǎn)的動區(qū)域，動區(qū)域和靜區(qū)域之間采用多重參考模型(MRF)耦合葉輪采用滑移邊界條件，與旋轉(zhuǎn)區(qū)域具有相同的轉(zhuǎn)速。葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域與前后靜區(qū)域之間的表面定義為interface邊界,便于與其他流域進(jìn)行信息交換。
2.測試方法
測試采用標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置主要由羅茨流量計(jì)、氣體渦輪流量計(jì)、穩(wěn)壓氣罐、氣動閥門、氣泵和控制系統(tǒng)等組成，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)通過遠(yuǎn)程操作PLC設(shè)備，調(diào)節(jié)氣動閥門的開度,實(shí)現(xiàn)對氣體體積流量的控制。羅茨流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表,其工作量程為0~250m3/h,流量控制精度為0.5級。氣體渦輪流量計(jì)作為待測流量計(jì)，其測量精度等級為1級，工作量程為13m3/h~250m3/h,量程比為20:1。差壓計(jì)的兩個(gè).測壓口分別安裝在待測流量計(jì)的前后直管段3D處，其量程范圍為土3000Pa.測量精度等級為1級。氣泵與氣動閥門相連，能夠產(chǎn)生相對穩(wěn)定的負(fù)壓。根據(jù)國家計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)，氣體渦輪流量計(jì)需檢定13m3/h、50m3/h、100m3/h和250m3/h等特征流量點(diǎn)。每個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行多次測量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到標(biāo)準(zhǔn)表和被測流量計(jì)的壓力損失、脈沖數(shù)、體積流量以及單流量點(diǎn)的測量時(shí)間，數(shù)據(jù)處理后得到儀表系數(shù)和最大示值誤差等指標(biāo)，進(jìn)而評估氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能。
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