[摘要]渦輪流量計(jì)性能會(huì)隨著被測(cè)流體粘度的增大而變差，為了降低介質(zhì)粘度對(duì)渦輪性能的影響，采用計(jì)算流體力學(xué)CFD)仿真的方法，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦龃箜敹碎g隙，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體渦輪流量計(jì)參數(shù)的定量?jī)?yōu)化，并從葉輪尾部流場(chǎng)、葉片表面壓力場(chǎng)及葉輪受力情況等方面分析了不同的葉輪頂端問(wèn)隙對(duì)葉輪性能產(chǎn)生影響的機(jī)理。
　　液體渦輪流量計(jì)具有測(cè)量精度高、量程寬、壓損小、輸出脈沖信號(hào)、重復(fù)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等多種優(yōu)點(diǎn)。在用于低粘度液體流量測(cè)量時(shí)，在相當(dāng)寬的流量范圍內(nèi)，其測(cè)量精度可達(dá)0.5%~0.15%，重復(fù)性可達(dá)0.1%~0.05%。缺點(diǎn)在于儀表系數(shù)受被測(cè)流體粘度變化的影響較大。一般來(lái)說(shuō)，粘度變化對(duì)線性.特性的影響隨著流量計(jì)口徑的減小而增大。目前，國(guó).內(nèi)渦輪流量計(jì)出廠時(shí)，一般都是用水或粘度比較低的柴油進(jìn)行檢定，但很多使用者卻用其來(lái)測(cè)量液壓油、潤(rùn)滑油等中粘度甚至高粘度液體的流量。這就迫切要求提高渦輪流量計(jì)在測(cè)量粘性介質(zhì)時(shí)的精度。
　　通過(guò)改變?nèi)~輪葉片頂端間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)渦輪的優(yōu)化在.以往的文獻(xiàn)口.四中已有出現(xiàn)，但如何進(jìn)行定量的優(yōu)化及改變頂端間隙會(huì)對(duì)渦輪的性能造成多大的影響等，卻仍需作進(jìn)一步的研究。
　　通過(guò)對(duì)不同葉輪頂隙的渦輪流量計(jì)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)CFD)仿真四，當(dāng)流體粘度為9.1cSt時(shí)，渦輪的線性度誤差由0.987%減小至0.014%;當(dāng)流體粘度為31.6eSt時(shí)，渦輪的線性度誤差由5.568%減小至3.693%。
1渦輪流量計(jì)CFD仿真方法
1.1三維仿真模型建立
　　以DN10渦輪流量傳感器為例進(jìn)行研究，按照實(shí)驗(yàn)所用渦輪流量傳感器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)建立仿真模型，如圖1所示。在渦輪前后分別增加10D的直管段以模擬實(shí)流實(shí)驗(yàn)中的流動(dòng)狀態(tài)。

1.2網(wǎng)格劃分
　　對(duì)模型的網(wǎng)格劃分是仿真的關(guān)鍵。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響仿真的求解過(guò)程和結(jié)果，若所劃網(wǎng)格質(zhì)量太差，在后續(xù)的仿真過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題，減小收斂速度，影響求解結(jié)果的準(zhǔn)確性。在既保證網(wǎng)格質(zhì)量又控制網(wǎng)格數(shù)量的條件下，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行如下的劃分。
　　葉輪處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)采用四面體網(wǎng)格，其intervalsize為0.12。在葉輪兩側(cè)定義了interface面，以聯(lián)接葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域和其它靜止區(qū)城。網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小于0.82.
1.3參數(shù)設(shè)定
　　選取SSTk-w湍流模型，對(duì)流體特性及邊界條件等都嚴(yán)格按照實(shí)流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，并采用多參考坐標(biāo)系的方法解決轉(zhuǎn)動(dòng)的流體區(qū)域流場(chǎng)變化問(wèn)題。通過(guò)監(jiān)測(cè)葉輪及輪轂的力矩，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)力矩與阻力.矩的差值對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)力矩系數(shù)Cm值達(dá)到10-9時(shí)，認(rèn)為葉輪所受力矩達(dá)到平衡，則此時(shí)的葉輪轉(zhuǎn)速即為合適的轉(zhuǎn)速。.
2葉輪頂端間隙影響的仿真
2.1頂端間隙影響的理論依據(jù)
　　當(dāng)流體在管道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，渦輪流量計(jì)同時(shí)受到驅(qū)動(dòng)力矩及阻力矩的作用。其中阻力矩主要包括粘性摩擦阻力矩、機(jī)械摩擦阻力矩和磁阻力矩等。而在測(cè)量粘性流體時(shí)機(jī)械摩擦阻力矩和磁阻力矩可以忽略不計(jì)。葉片邊緣與殼體內(nèi)壁之間充滿了流體，因此這一形式的摩擦阻力實(shí)際上是由流體與固體壁面之間由于存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的粘性摩擦阻力。但是由于其間隙相當(dāng)小，因此流體在這一狹小間隙中的流動(dòng)始終認(rèn)為是處在層流流動(dòng)狀態(tài)，從而可直接應(yīng)用納維埃一斯托克斯方程對(duì)流場(chǎng)求解。

　　式中:T1為葉片頂端與傳感器外殼內(nèi)壁之間的粘性摩擦阻力矩，n·m;r,為葉片頂端處半徑，m;r。為流量計(jì)殼體內(nèi)壁半徑，m;C為葉片寬，m;ρ為流體密度，kg/m';v為流體運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s;0為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。由(1)式可以看出，通過(guò)減小r,即葉片頂端處半徑可以減小粘性摩擦阻力矩。
　　雖然葉片頂端間隙的增大可以減小T1的數(shù)值，增加葉輪轉(zhuǎn)速，降低渦輪對(duì)流體粘性的敏感程度，但是由于隨著頂隙的增大，漏流也增大，這會(huì)給測(cè)量的精度帶來(lái)影響，因此要兼顧兩者以達(dá)到平衡。
2.2仿真數(shù)據(jù)
通常采用葉片頂端間隙與管道半徑之比δ對(duì)頂端間隙進(jìn)行無(wú)量綱化

　　選擇了運(yùn)動(dòng)粘度分別為9.1cSt、31.6eSt的柴油-機(jī)油混合液，對(duì)不同頂端間隙的渦輪流量計(jì)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，渦輪流量計(jì)在測(cè)量時(shí)，一般在小流量點(diǎn)處的儀表系數(shù)會(huì)小于大流量點(diǎn)處的儀表系數(shù)，這是造成線性度誤差的原因。對(duì)于相同粘度的流體，在相同流速時(shí)，隨著頂端間隙的增大,渦輪流量計(jì)的旋轉(zhuǎn)角速度增大，相應(yīng)的儀表系數(shù)也增大。而渦輪流量計(jì)在測(cè)量粘性流體時(shí)主要受影響的是在小流量點(diǎn)，頂端間隙增大后，渦輪在小流量點(diǎn)處的儀表系數(shù)相對(duì)于大流量點(diǎn)得到了更大的提高,故減小了線性度誤差。即對(duì)于同一介質(zhì)粘度，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)受流量變化的影響在減小。

3頂端間隙影響的機(jī)理分析
　　通過(guò)分析渦輪流量傳感器內(nèi)部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化以及葉片受力情況等，可以理解在測(cè)量粘性流體時(shí)頂端間隙變化對(duì)流量傳感器特性產(chǎn)生影響的流體力學(xué)機(jī)理。
3.1速度場(chǎng)分析
　　圖2為渦輪葉片尾部流體速度矢量圖，灰色部分為葉片�？梢钥闯鲈谌~片的尾部，流體出現(xiàn)了流動(dòng)分離�？拷�葉輪的流體，其速度可以認(rèn)為與葉輪的轉(zhuǎn)速相同，葉輪的轉(zhuǎn)速越慢，其尾部的低流速區(qū)越大。

　　比較圖3(a)和圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可以看出當(dāng)流體粘度一定時(shí)，流量越大，葉輪的尾部低流速區(qū)越小。當(dāng)頂端間隙由0.2mm增加:至0.5mm時(shí)，對(duì)于相同粘度的流體和相同的流量點(diǎn)，葉輪尾部低流速區(qū)變小，表明葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大，即儀表系數(shù)變大。但在小流量點(diǎn)處，低流速區(qū)的相對(duì)變化較之于大流量點(diǎn)處要大，即小流量點(diǎn)處葉輪轉(zhuǎn)速的相對(duì)變化比大流量點(diǎn)處要大，則儀表系數(shù)的增加值相對(duì)也大，故渦輪的線性度誤差減小。

3.2壓力場(chǎng)分析
　　比較圖5(a)和圖5(b)、圖6中的圖6(a)和圖6(b)，可以看出，對(duì)于相同粘度的流體，隨著流量的增大，高壓區(qū)的面積變大，且向葉片的尾部和頂端移動(dòng)，致使葉片所受驅(qū)動(dòng)力矩增加，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大。對(duì)于相同粘度的流體在相同的流量點(diǎn)處，頂端間隙由0.2mm增大至0.5mm時(shí)，比較圖5和圖6可以看出，葉片表面的高壓區(qū)面積變大，且向葉片的尾部和頂端移動(dòng)，致使葉輪所受驅(qū)動(dòng)力矩增加，而由圖7和圖8可以看出葉片尾部的低壓區(qū)面積變小，葉輪旋轉(zhuǎn)的阻力減小，則旋轉(zhuǎn)的角速度增大，即儀表系數(shù)增大。

　　由3)式可以看出，當(dāng)其它條件一定時(shí)，對(duì)于.確定的葉輪轉(zhuǎn)速，葉輪受到的粘性阻力矩也是一定的。那么，反過(guò)來(lái)亦可以通過(guò)粘性阻力矩來(lái)判斷葉輪轉(zhuǎn)速的大小。
利用Fluent中的Report可以得到渦輪流量計(jì)所受的壓力力矩和粘性阻力矩，如表2所示。

　　比較表格中的數(shù)據(jù)可以得出，對(duì)于具有相同粘度的流體和相同的流量點(diǎn)，當(dāng)渦輪的頂端間隙增大時(shí)，葉輪所受到的粘性阻力矩變小，這直接導(dǎo)致了渦輪的轉(zhuǎn)速增大即儀表系數(shù)增大。在小流量點(diǎn)，粘性阻力矩相對(duì)減小了16.64%，在大流量點(diǎn)，粘性阻力矩相對(duì)減小了13.79%，這樣渦輪轉(zhuǎn)速在小流量點(diǎn)處相對(duì)增加較為顯著，故渦輪的線性度誤差得到了降低。
4結(jié)論
　　對(duì)具有不同頂端間隙的液體渦輪流量計(jì)進(jìn)行CFD仿真分析，當(dāng)流體粘度為9.leSt時(shí)，渦輪的線性度誤差由.0.987%減小至0.014%;當(dāng)流體粘度為31.6cSt時(shí)，渦輪的線性度誤差由5.568%減小至3.693%。通過(guò)分析渦輪的內(nèi)部流場(chǎng)及葉輪受力情況，可以得出以下
結(jié)論:
(1)適當(dāng)增大葉輪的頂端間隙，流體粘度和流量一定時(shí)，葉輪尾部低流速區(qū)減小，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大，即儀表系數(shù)變大。而小流量點(diǎn)處的低流速區(qū)相對(duì)變化較之于大流量點(diǎn)處要大，即小流量點(diǎn)處葉輪轉(zhuǎn)速的相對(duì)變化比大流量點(diǎn)處要大，則儀表系數(shù)的增加值相對(duì)也大，故渦輪的線性度誤差減小。
(2)對(duì)于相同粘度的流體，在相同的流量點(diǎn)，渦輪的頂端間隙適當(dāng)增加時(shí)，葉片尾部的低壓區(qū)面積變小，葉片表面的高壓區(qū)向葉片的尾部和頂端移動(dòng)且面積變大，致使葉輪所受驅(qū)動(dòng)力矩增加，旋轉(zhuǎn)的角速度增大，儀表系數(shù)增大。
(3)對(duì)于相同粘度的流體和相同的流量點(diǎn)，葉輪所受到的粘性阻力矩隨著葉輪頂端間隙增大而變小，則葉輪的轉(zhuǎn)速增大，液體渦輪流量計(jì)系數(shù)增大。在小流量點(diǎn)，粘性阻力矩相對(duì)減小值較大流量點(diǎn)處更為顯著，即儀表系數(shù)相對(duì)增加值更大，故渦輪的線性度誤差得到了降低。

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