摘要:利用數(shù)值計(jì)算方法研究了不同安裝條件對(duì)渦輪流量計(jì)性能的影響。計(jì)算結(jié)果分析表明,安裝于流量計(jì)前的單彎頭、雙彎頭以及閥門等管道配件都會(huì)造成流體速度趨于扁平分布和不對(duì)稱分布以及產(chǎn)生漩渦流,都是影響流量計(jì)計(jì)量精度的主要原因。合理布置彎頭和閥門開度的方向,使流體通過(guò)兩者時(shí)產(chǎn)生的漩渦流旋轉(zhuǎn)方向相反,則有利于降低流量計(jì)進(jìn)口前漩渦流的強(qiáng)度,減少對(duì)流量計(jì)測(cè)量精度的影響。渦輪流量計(jì)的前導(dǎo)流件能有效消除流體速度中的漩渦流分量,但在校正速度分布的不對(duì)稱性和扁平性方面效果并不顯著。
1引言
渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度易受到流量計(jì)前管線安裝條件的影響。一般管線系統(tǒng)中的各種管配件,包括閥門、彎頭、變徑管等所產(chǎn)生的流體干擾都會(huì)引起流體速度分布發(fā)生畸變,產(chǎn)生漩渦流和非對(duì)稱流等，影響了渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度。安裝條件對(duì)渦輪流量計(jì)性能的影響早就引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注,并對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。先后利用實(shí)驗(yàn)研究了渦輪流量計(jì)進(jìn)口前裝有90°彎頭、不在同一平面內(nèi)的雙彎頭、IS09951推薦的能夠產(chǎn)生高和低流體干擾的管線結(jié)構(gòu)以及閥門]等對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響。
近幾年數(shù)值計(jì)算方法逐漸應(yīng)用于渦輪流量計(jì)的研究中(8-12],與實(shí)驗(yàn)方法相比,數(shù)值計(jì)算方法具有成本低、更能提供詳細(xì)的三維流場(chǎng)以及能掌握管線結(jié)構(gòu)引起的各種流體干擾的衰減規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算方法的有效性也逐漸得到了驗(yàn)證E[8.12].但是迄今為止仍未見文獻(xiàn)報(bào)道利用數(shù)值計(jì)算手段研究安裝條件對(duì)渦輪流量計(jì)性能的影響。
另一方面,機(jī)動(dòng)油料裝備逐漸向小型化發(fā)展,選用計(jì)量裝置時(shí)通常考慮選用測(cè)量精度高、質(zhì)量輕的流量計(jì)，如渦輪流量計(jì)。然而渦輪流量計(jì)對(duì)前后直管段的要求限制了其在機(jī)動(dòng)油料裝備上的使用。為此,本文利用數(shù)值計(jì)算手段就流量計(jì)進(jìn)口前裝有90°彎頭、不在同-平面內(nèi)的雙彎頭以及雙彎頭之間有一個(gè)半圓形擋板三種安裝條件對(duì)流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)以及測(cè)量精度的影響進(jìn)行研究,為渦輪流量計(jì)在機(jī)動(dòng)油料裝備上的應(yīng)用提供指導(dǎo)。.
2流體速度分布的特征參數(shù)
流體干擾影響渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的速度畸變主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:速度分布的扁平性、漩渦流和速度分布的非對(duì)稱性。為了能定量描述流體干擾引起的速度畸變,Mickan定義了軸向動(dòng)量數(shù)K。、漩流數(shù)K,和非對(duì)稱數(shù)K,三個(gè)特征參數(shù)5)。本文引人這三個(gè)參數(shù),以便于后面的分析。
軸向動(dòng)量數(shù)K。用于衡量流體軸向動(dòng)量通量的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的大小,其計(jì)算式為:
 
式中:u為軸向流速,um為平均流速,r為徑向坐標(biāo)，ρ為流體密度,R為管線半徑,A為管線的橫截面積。對(duì)于充分發(fā)展流,Ku為定值,約為0.62,而我們所關(guān)心的是充分發(fā)展流與干擾流之間的差別，故常用反映兩者差別的參量△Ku(其值等于Ku-Ku0),它對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度具有較大的影響。.
漩流數(shù)Kv用于衡量軸向漩渦的強(qiáng)度。由于渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)速易受漩渦流的影響,因此Kv的大小對(duì)其有重要的影響。其計(jì)算式為:
 
式中:v為切向流速。
非對(duì)稱數(shù)KA用于衡量速度分布對(duì)稱性的程度,用管線橫截面上流體質(zhì)心與對(duì)稱軸之間的距離來(lái)表示,其計(jì)算式為:
 
式中:y、z分別為管線橫截面上的直角坐標(biāo),m為質(zhì)量流量。
3數(shù)值計(jì)算模型
3.1基本方程組
描述渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的基本方程組為連續(xù)性方程、N-S運(yùn)動(dòng)方程和紊流模型。目前還沒(méi)有普遍適用的紊流模型,本文選用較常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型。模型方程中相關(guān)系數(shù)取值分別為:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網(wǎng)格劃分和邊界條件
在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,渦輪流量計(jì)的葉輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),故葉輪部分的網(wǎng)格劃分疏密對(duì)計(jì)算結(jié)果的正確率具有重要的影響,在網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)葉輪表面的網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木植考用芴幚�。前、后�?dǎo)流件部分區(qū)域采用六面體網(wǎng)格,其他區(qū)域采用四面體網(wǎng)格,葉輪部分全部采用四面體網(wǎng)格,單流量計(jì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格總數(shù)為97.31萬(wàn)個(gè),其中葉輪部分的網(wǎng)格總數(shù)為67.42萬(wàn)個(gè)。
為了減少在計(jì)算過(guò)程中因計(jì)算域進(jìn)口與出口位置對(duì)渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響,本文計(jì)算域的進(jìn)口與出口適當(dāng)向外作了延伸，上游直管段長(zhǎng)度為.5D,下游為10D。進(jìn)口采用圓管紊流流速分布的1/7律來(lái)確定。凡與流體相接觸的所有固體界面上采用無(wú)滑移固體璧面條件,出口施加定靜壓。
4數(shù)值計(jì)算
4.1流量計(jì)前的管線結(jié)構(gòu)
文中采用的渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。流量計(jì)的內(nèi)徑為15mmm,葉輪葉片數(shù)為4片,前、后導(dǎo)流件采用橢球形端面。
 
本文主要分析了Casel~Case5等5種結(jié)構(gòu)，見圖2。
 
Case1:流量計(jì)前是一長(zhǎng)為5D的直管段。
Case2:90°的彎頭，其前有一5D長(zhǎng)的直管段�？紤]到機(jī)動(dòng)油料裝備上流量計(jì)的安裝空間非常受限，彎頭與流量計(jì)進(jìn)口之間的距離設(shè)為1D。
Case3:不在同一平面內(nèi)的雙彎頭,兩彎頭之間有一長(zhǎng)為0.5D的直管段,進(jìn)口管段長(zhǎng)度和第二個(gè)彎頭與流量計(jì)進(jìn)口的距離同Case2。
Case4:在Case3的雙彎頭中間位置上布置了一個(gè)1mm厚的半圓薄板，薄板位于雙彎頭的外側(cè)位置。
Case5:除了半圓薄板的位置在雙彎頭的內(nèi)側(cè)外,管線結(jié)構(gòu)同Case4。
研究Case4和Case5的管線結(jié)構(gòu)主要目的有兩個(gè):一是研究閥門對(duì)流量計(jì)測(cè)量精度的影響;二是閥門開度與彎頭的相對(duì)方向不同時(shí)對(duì)流量計(jì)測(cè)量精度的影響。
4.2計(jì)算結(jié)果與分析
計(jì)算參數(shù):流體的進(jìn)口平均速度um為5m/s,計(jì)算介質(zhì)為20℃的水。
 
圖3示出了不同條件下渦輪流量計(jì)進(jìn)口處在4個(gè)方向上的軸向和切向流速分布。從圖中可以看到,對(duì)于Casel這種管線結(jié)構(gòu),軸向流速符合充分發(fā)展流的速度分布,切向流速分量很小。而且在進(jìn)口橫截面上，根據(jù)式(1)~(3)計(jì)算得到Ku0等于0.62,Kv和KA分別等于0,因此可作為參考量用于其它管線結(jié)構(gòu)的分析。本文對(duì)所有計(jì)算結(jié)果的分析都以此作為參考進(jìn)行的。
當(dāng)流量計(jì)前裝有90°彎頭時(shí)(Case2)，軸向流速在管線對(duì)稱軸上附近表現(xiàn)為最小，然后向管壁兩側(cè)增加,呈現(xiàn)了非對(duì)稱的馬鞍型分布,且切向流速表現(xiàn)出了二次流現(xiàn)象。
當(dāng)流量計(jì)前的管線結(jié)構(gòu)為不在同一平面內(nèi)的雙彎頭時(shí)(Case3)，軸向流速出現(xiàn)了與Casel相似的非對(duì)稱的馬鞍型分布,不過(guò)其不對(duì)稱程度要比Casel小，但流速更呈扁平分布;切向流速同樣出現(xiàn)了二次流現(xiàn)象,其漩渦強(qiáng)度則要比Casel強(qiáng)得多。
對(duì)于兩個(gè)彎頭之間有一半圓薄擋板的兩種管線結(jié)構(gòu)Case4和Case5,軸向流速的不對(duì)稱分布非常嚴(yán)重。除了在θ=90°這個(gè)方向上軸向流速呈馬鞍型分布外,在其余三個(gè)方向上幾乎是從管璧的一.側(cè)向另-側(cè)單調(diào)遞增的趨勢(shì)。不過(guò),兩種管線結(jié)構(gòu)的切向流速則表現(xiàn)出了不同的分布趨勢(shì)。當(dāng)半圓薄板布置在雙彎頭的外側(cè)(Case4),流體速度中含有很強(qiáng)的切向流速分布,其最大值幾乎達(dá)到了平均流速的60%。當(dāng)半圓薄板布置在雙彎頭的內(nèi)側(cè)(Case5),切向流速分量要比Case4的小得多,甚至小于Case3。
造成這種差別主要是由于對(duì)于Case4,流體通過(guò)半圓薄板后產(chǎn)生的漩渦方向和通過(guò)彎頭后產(chǎn)生的漩渦方向相同，因此在流量計(jì)進(jìn)口前表現(xiàn)出比Case3更高的切向流速分量,而Case5的情況則反之。由于這個(gè)原因,Case4計(jì)算得到的渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)與Casel相比,其誤差偏移為-1.79%,而CaseS則僅為-0.23%,見表1。這個(gè)計(jì)算結(jié)果同時(shí)說(shuō)明了在渦輪流量計(jì)前合理布置彎頭和閥i]開度之間的相對(duì)方向,有助于降低漩渦流的強(qiáng)度，從而減少對(duì)流量計(jì)量性能的影響。同樣我們研究了流體通過(guò)前導(dǎo)流件后在其輪轂?zāi)┒颂庉S向流速和切向流速的分布情況,見圖4。
 
從圖4中可以看到,受導(dǎo)流件輪轂的影響，流道面積減少,軸向流速增加;在θ=90°和θ=0°兩個(gè)方向上正對(duì)導(dǎo)流件葉片,受其尾流的影響,軸向流速明顯要比其它兩個(gè)方向上的軸向流速低。從圖中同時(shí)可以看到,流體經(jīng)過(guò)前導(dǎo)流件的導(dǎo)流作用后,切向流速顯著減小,在θ=90°和θ=0°兩個(gè)方向上漩渦角的大小基本上能滿足ISO9951規(guī)定的小于2°的標(biāo)準(zhǔn)，圖中以虛線表示,在其它兩個(gè)方向上切向流速的最大分量也不超過(guò)平均流速的20%;但是其軸向流速的不對(duì)稱分布和扁平性并沒(méi)有得到有效的改善,同樣是Case5的軸向流速的不對(duì)稱分布最為顯著。
不同安裝條件下在渦輪流量計(jì)進(jìn)口和前導(dǎo)流件輪轂?zāi)┒藘蓚�(gè)橫截面上Ku、Kv、KA、以及流量計(jì)儀表系數(shù)誤差偏移的計(jì)算值見表1。
 
從表1中可以看到，造成流量計(jì)儀表系數(shù)誤差偏移最大的是Case4這種管線結(jié)構(gòu),達(dá)到了-1.79%,這和前述分析相一致。表中的結(jié)果同時(shí)說(shuō)明了渦輪流量計(jì)中的前導(dǎo)流件消除漩渦流的效率非常高,但是其在改善速度分布的不對(duì)稱性和扁平性上的效果并不顯著。因此,認(rèn)為若將渦輪流量計(jì)的前導(dǎo)流件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),采用孔板整流器和翼式整流器相結(jié)合的組合式結(jié)構(gòu),這樣既能有效消除漩渦流,又能有效改善速度分布的不對(duì)稱性和扁平性,必將顯著改善導(dǎo)流件的整流效果,減少渦輪流量計(jì)進(jìn)口流速分布對(duì)測(cè)量精度的影響,降低其安裝要求,使其更適合用于機(jī)動(dòng)油料裝備上的計(jì)量裝置。
5結(jié)論
本文利用數(shù)值計(jì)算手段研究了流量計(jì)前安裝有單彎頭、不在同一平面內(nèi)的雙彎頭以及雙彎頭之間有一半圓擋板等管線結(jié)構(gòu)對(duì)流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)和測(cè)量精度的影響,得到了以下結(jié)論:
(1)由管線結(jié)構(gòu)引起的流體干擾造成流體速度分布含有漩渦流分量、軸向速度分布不對(duì)稱性和扁平性,使流量計(jì)計(jì)量產(chǎn)生誤差,本文的算例中最大誤差達(dá)到了-1.79%。
(2)彎頭與閥廣1開度之間的相對(duì)方向影響流量計(jì)的測(cè)量精度,若流體通過(guò)彎頭和閥門時(shí)所產(chǎn)生的漩渦流方向相同，則增加了流量計(jì)的計(jì)量誤差,反之則減少計(jì)量誤差。
(3)流量計(jì)中前導(dǎo)流件能有效減少漩渦流強(qiáng)度,但在改善速度分布的不對(duì)稱性以及扁平性方面的效果并不明顯。

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