【摘 要】借助計算(suàn)流體力學(cfd)方法對(duì)旋進旋渦流量計進行了(le)研究,獲得(de)了(le)流量計内部流場(chǎng)信息,驗證了(le)在流量計工作範圍内旋渦進動頻(pín)率與流量之間良好的(de)線性關系.重點對(duì)幾種旋進旋渦流量計結構改進優化(huà)方案進行了(le)仿真分(fēn)析,這(zhè)些結構優化(huà)方案包括在旋進旋渦流量計起旋器入口加裝導流葉片、改變擴張段的(de)擴張角和(hé)改變收縮比.結果發現,加裝導流葉片可(kě)以顯著減小流量計壓力損失,并可(kě)增加渦核的(de)旋轉強度,使得(de)檢測信号的(de)強度得(de)到增強,從而擴展了(le)測量下(xià)限;收縮比和(hé)擴張角過大(dà)和(hé)過小對(duì)于流量計性能都不利,存在一個(gè)最佳值.

旋進旋渦流量計是根據旋渦進動現象設計的(de)一種流體振蕩式流量計,具有流量範圍寬、無可(kě)動部件、不易腐蝕、可(kě)靠性高(gāo)、安裝使用(yòng)方便、直管段要求短等優點,适用(yòng)于石油、蒸汽、天然氣、水(shuǐ)等多(duō)種介質的(de)流量測量[1].20世紀70年代,dijstelbergen[2]對(duì)旋進旋渦流量計性能進行了(le)比較全面的(de)實驗研究,驗證了(le)該流量計線性輸出特性,并且發現該流量計不易受介質黏度和(hé)密度影(yǐng)響,指出了(le)旋進旋渦流量計在高(gāo)壓氣體測量方面商業化(huà)應用(yòng)前景.furio和(hé)gianfranco[3]對(duì)旋進旋渦流量計做(zuò)了(le)實際工況下(xià)的(de)儀表特征測試,探索該流量計在計量領域應用(yòng)的(de)可(kě)行性.旋進旋渦流量計工作時(shí)振蕩頻(pín)率信号容易被外界振動與流體脈動噪聲所幹擾[4],對(duì)此宋開臣和(hé)傅新[5,6]提出安裝對(duì)稱兩個(gè)壓力信号探頭,相位差180°,用(yòng)信号差分(fēn)處理(lǐ)提高(gāo)旋進旋渦流量計抗幹擾能力,取得(de)了(le)良好效果.

對(duì)于旋進旋渦流量計内部流動特性及流量計改進方面,科研人(rén)員(yuán)也(yě)進行了(le)一定探索.彭傑綱等人(rén)[7-9]對(duì)旋進旋渦流量計内部流場(chǎng)進行了(le)數值模拟分(fēn)析,研究了(le)旋渦進動效應流場(chǎng)的(de)演變情況,分(fēn)析了(le)流場(chǎng)幹擾對(duì)旋進旋渦流量計流場(chǎng)進動效應的(de)影(yǐng)響.張濤等人(rén)[10]采用(yòng)數值方針的(de)方法對(duì)旋進旋渦流量計的(de)結構進行了(le)優化(huà),使得(de)流量計的(de)壓力損失有了(le)一定減小.何馨雨(yǔ)等[11]對(duì)旋進旋渦内部流場(chǎng)進行了(le)數值模拟分(fēn)析,獲得(de)了(le)比較全面的(de)流場(chǎng)信息,對(duì)這(zhè)種流量計的(de)内部流動特性有了(le)更加深入的(de)理(lǐ)解.

目前,旋進旋渦流量計應用(yòng)中還(hái)存在壓損較大(dà)、下(xià)限流量(始動流量)偏大(dà)、系列設計缺乏理(lǐ)論依據等問題.本文借助流體力學數值仿真的(de)方法對(duì)旋進旋渦流量計的(de)結構參數做(zuò)了(le)系統研究,分(fēn)析了(le)旋進旋渦流量計壓力損失情況和(hé)輸出信号質量.文中采用(yòng)導流葉片來(lái)降低壓損,提高(gāo)流量計性能,還(hái)著(zhe)重考慮針對(duì)起旋器葉片數量、擴張角度等參數進行的(de)優化(huà)研究.希望通(tōng)過此項研究工作能夠爲旋進旋渦流量計的(de)設計開發提供理(lǐ)論上的(de)支持.

1 旋進旋渦流量計工作原理(lǐ)與結構優化(huà)研究方案

1.1 工作原理(lǐ)

旋進旋渦流量計主要由起旋器、文丘裏管、消旋器和(hé)檢測傳感器組成,其結構原理(lǐ)如圖1.

旋進旋渦流量計是基于旋渦進動現象工作的(de)[12].流體流入旋進旋渦流量計後,首先通(tōng)過一組由固定螺旋形葉片組成的(de)起旋器後被強制旋轉,使流體形成旋渦流.旋渦中心爲“渦核”是流體旋轉運動速度很高(gāo)的(de)區(qū)域,其外圍是環流.流體流經收縮段時(shí)旋渦加速,沿流動方向渦核直徑逐漸縮小,而強度逐漸加強.此時(shí)渦核與流量計的(de)軸線相一緻.當進入擴大(dà)段後,旋渦急劇減速,壓力上升,中心區(qū)域的(de)壓力比周圍的(de)壓力低,于是産生了(le)局部回流.在回流作用(yòng)下(xià),渦核偏離中心軸像剛體一樣在擴張段壁面做(zuò)螺旋進動,并且是圍繞中心軸進行的(de).進動頻(pín)率與流體的(de)流速成正比.因此,測得(de)旋進旋渦的(de)頻(pín)率即能反映流速和(hé)體積流量的(de)大(dà)小.

1.2 結構優化(huà)方案

針對(duì)現有旋進旋渦流量計壓損大(dà)、小流量信号弱等問題,提出了(le)結構改進和(hé)參數優化(huà)研究方案.改進對(duì)象爲一個(gè)dn50氣體旋進旋渦流量計,其内部結構和(hé)寸見圖2.流量計長(cháng)度爲232 mm,入口管徑50 mm,收縮段長(cháng)度94.2 mm,發展段管徑爲36 mm、長(cháng)度爲35.8 mm,擴張段長(cháng)爲12 mm,擴張角度爲60°.具體改進和(hé)參數優化(huà)研究如下(xià):

1)起旋器入口加裝導流葉片段.原有起旋器葉片在入口段沒有導流部分(fēn)(圖1),葉片與來(lái)流之間夾角爲60°,來(lái)流不是切向進入,會造成嚴重的(de)流動分(fēn)離.流動分(fēn)離使得(de)流動擾動和(hé)流動阻力增大(dà).因此,改進方案中考慮把原來(lái)起旋器葉片延長(cháng)并作彎曲(見圖3a),使得(de)入口與來(lái)流夾角爲0°,即流動切向進入,以期改善流動狀态.

2)起旋器葉片數量增加.起旋器原來(lái)的(de)葉片數量是6片,考慮增加1片(圖3b),同時(shí)爲了(le)保證流動面積不減小,将葉片厚度由2.5 mm變爲1.5 mm(當前加工能力能夠做(zuò)到).螺旋角度保持不變,仍爲30°.

3)關于流量計殼體參數方面,對(duì)擴張角和(hé)收縮比進行研究.如前所述,旋渦進入擴張段後急劇減速,産生了(le)局部回流,渦核偏離中心軸打在壁面上,産生壓力脈動.因此,擴張角大(dà)小對(duì)渦核運動會産生很大(dà)影(yǐng)響.本文将對(duì)30°、60°(原型參數)和(hé)90°(階梯型)三種情況進行模拟計算(suàn).收縮比也(yě)是比較重要的(de)一個(gè)參數,收縮比越大(dà),旋渦旋轉速度增加越多(duō),但是同時(shí)壓損将變大(dà),而且可(kě)能造成擴張段渦核擾動對(duì)沖擊壁面的(de)影(yǐng)響減低.本文考察了(le)50∶36(目前參數)和(hé)50∶32兩種收縮比的(de)情況.需要說明(míng)的(de)是,對(duì)擴張角和(hé)收縮比參數研究時(shí),針對(duì)的(de)起旋器模型是加裝了(le)導流葉片(6個(gè)葉片)的(de)情況.

2 計算(suàn)模型

2.1 流體力學控制方程和(hé)湍流模型

旋進旋渦流量計的(de)流體動力特性可(kě)以用(yòng)流體力學基本方程描述如下(xià).

連續性方程與動量方程[13,14]:

流量計内部爲湍流流動,需引入湍流模型.标準的(de)k-ε湍流模型用(yòng)于強旋流或帶有彎曲壁面的(de)流動時(shí),會出現一定失真,因此本文選用(yòng)rngk-ε湍流模型.湍流模型和(hé)相關方程在文獻[11]中有詳細說明(míng),感興趣的(de)讀者可(kě)參考這(zhè)篇文獻.

2.2 仿真模型的(de)建立與計算(suàn)過程

圖4爲流量計仿真物(wù)理(lǐ)模型,計算(suàn)區(qū)域總長(cháng)度爲447 mm,網格劃分(fēn)采用(yòng)的(de)是非結構化(huà)混合網格,在局部流動複雜(zá)部分(fēn)對(duì)網格進行加密.網格數大(dà)約爲80萬.在旋進旋渦流量計的(de)流通(tōng)管道上設置五個(gè)壓力檢測截面1,2,3,4,5.截面1位于擴張段的(de)中部,截面2位于擴張段上遊5 mm處,截面3位于擴張段上遊10 mm處,截面4擴張段上遊15 mm處,截面5位于擴張段下(xià)遊5 mm處.分(fēn)别在每個(gè)截面距壁面6 mm處設置對(duì)稱兩點作爲壓力脈動信号采集點.

本項工作采用(yòng)了(le)fluent流體力學計算(suàn)軟件.計算(suàn)流程和(hé)條件參數設置如下(xià):

選用(yòng)3 d解算(suàn)器;求解模型solver設置爲非耦合隐身算(suàn)法,并設置爲非定常流動.湍流模型是rngk-ε湍流模型.設置流體物(wù)理(lǐ)屬性:選擇空氣密度1.225 kg/m3.

邊界條件:入口設爲速度入口;出口邊界條件設定爲壓力出口;壓力值固定爲1個(gè)大(dà)氣壓(101325 pa);管壁及起旋器表面設爲無滑移邊界條件.流量從10 m3/h開始,然後取20 m3/h ,40 m3/h,再每間隔40 m3/h取一次(80 m3/h,120 m3/h,160 m3/h,200 m3/h和(hé)240 m3/h ),計算(suàn)中對(duì)非定常叠代時(shí)間步長(cháng)的(de)選取需注意要比脈動周期小得(de)多(duō),小于1/10脈動周期.

3 數值模拟結果與分(fēn)析

何馨雨(yǔ)等計算(suàn)發現在旋進旋渦流量計的(de)流通(tōng)管道截面1,2,3,4,5中,擴張段截面1及其上遊5 mm處(即截面2)處的(de)旋渦脈動信号最強.并且如果采用(yòng)相位差爲180°的(de)兩個(gè)軸對(duì)稱點進行差分(fēn)處理(lǐ)可(kě)以使脈動信号增強一倍,所以本研究選取截面1作爲信号檢測面.

首先考察了(le)收縮比的(de)影(yǐng)響.收縮比爲50∶36時(shí),在整個(gè)流量範圍内,有正常數據獲得(de);而當收縮比爲50∶32時(shí)(保持擴張角度60°不變),發現在流量爲40 m3/h以下(xià)和(hé)200 m3/h以上時(shí),壁面處無法檢測到壓力周期信号.也(yě)就是說,延長(cháng)收縮段使得(de)收縮比變大(dà)時(shí),流量檢測範圍變小,達不到改善流量計測量特性的(de)目的(de),因此,以下(xià)討(tǎo)論不再包含收縮比的(de)内容.

3.1 流場(chǎng)特性和(hé)旋渦進動頻(pín)率

圖5是針對(duì)原型流量計内部流場(chǎng)的(de)模拟結果(一個(gè)旋渦進動周期),流量爲80 m3/h.可(kě)以看到,在靠近壁面處速度明(míng)顯高(gāo)于其他(tā)部位,而管道中心處由于回流的(de)影(yǐng)響呈負速度分(fēn)布,并且壁面高(gāo)速流呈逆時(shí)針做(zuò)圓周狀運動,即管道流體在擴張段做(zuò)螺旋進動.

表1列出了(le)各種結構參數情況下(xià)的(de)旋渦進動頻(pín)率數據,這(zhè)些數據繪制成旋渦進動頻(pín)率-流量關系圖(圖6).圖中可(kě)以看出,對(duì)于研究涉及到的(de)所有參數組合,旋渦進動頻(pín)率與流量之間都保持良好的(de)線性關系.

3.2 流量與壓損的(de)關系

在研究流量計壓損變化(huà)時(shí),我們在計算(suàn)模型的(de)入口處與出口處分(fēn)别設置監測截面,入口壓力值減去出口壓力值即作爲流量計壓力損失.不同流量,各種結構參數情況下(xià)的(de)壓損列于表2.

圖7爲壓力損失與流量的(de)關系.圖中可(kě)以看出,原型流量計的(de)起旋器前端加裝螺旋導流葉片後,壓損有了(le)明(míng)顯的(de)減小.流體進入流量計前爲是充分(fēn)發展管流,進入流量計後首先通(tōng)過的(de)是相當于一個(gè)阻流件的(de)起旋器,流體受到起旋器前端葉片的(de)阻擋,當未加導流葉片時(shí),會發生嚴重的(de)流動分(fēn)離,從而帶來(lái)很大(dà)的(de)能量損失;而前端增加螺旋導流葉片,流體以平行于流場(chǎng)的(de)角度引導流體順利并呈螺旋狀流入起旋器起旋葉片,避免發生流動分(fēn)離,壓力損失得(de)以減小.當增加葉片數量至7片後,壓力損失比6個(gè)葉片時(shí)進一步減小,這(zhè)是因爲在增加葉片數量的(de)同時(shí)減小了(le)葉片厚度,流通(tōng)面積面反而增大(dà).從圖7還(hái)可(kě)以看出,将擴張段角度縮小至30°和(hé)增大(dà)至90°時(shí),壓損曲線與60°(即原型)的(de)情況相比基本沒有變化(huà),說明(míng)了(le)在流量計壓損方面,擴張角大(dà)小影(yǐng)響不大(dà),起旋器的(de)影(yǐng)響是主導因素.

3.3 檢測探頭處的(de)壓力信号

對(duì)相位相差180°的(de)兩路壓力信号做(zuò)差分(fēn)後能在一定程度上抑制管道同模幹擾信号并且能使信号強度增大(dà)一倍,故而對(duì)小流量測量時(shí)更敏感,能有效提高(gāo)測量精度.不同流量下(xià)原型流量計與參數改進後模型的(de)差分(fēn)壓力信号幅值列于表3.

圖8爲各模型壓力信号幅值與流量的(de)關系圖,可(kě)看出在起旋器前端加裝螺旋導流葉片後,壓力信号有了(le)明(míng)顯的(de)增強,平均增幅達到49%.葉片數增加至7片後壓力信号幅值比6片時(shí)有較大(dà)減弱,不可(kě)取.擴張角縮小至30°後信号較60°時(shí)變弱,擴張角增大(dà)至90°時(shí)信号最弱,可(kě)見擴張角不是越大(dà)越好,也(yě)不是越小越好,就本文數據來(lái)說,60°是最好的(de)一個(gè)選擇.