【摘 要】 采用計算流體力學(xué)（ＣＦＤ）的方法對一口徑為８０ｍｍ 的氣體渦輪流量計進(jìn)行工況條件的數(shù)值模擬研究．通過計算，分析了流量計在不同流量下，各部件包括前整流器、前導(dǎo)流器、機(jī)芯殼體、葉輪支座、葉輪和后導(dǎo)流器對壓力損失的影響，給出了各部件的流量與壓力損失的關(guān)系曲線及其壓力損失比例．?dāng)?shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相符，進(jìn)而從流道內(nèi)的壓力分布和流場分析壓力損失原因并提出減少壓力損失的改進(jìn)思路．

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ８０ｍｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｕｎｄｅｒｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｆｒｏｎｔｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｔｈｅｆｒｏｎｔｄｅｆｌｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｃｏｒｅｓｈｅｌ，ｔｈｅｉｍｐｅｌｅｒｂｅａｒｉｎｇ，ｔｈｅｉｍｐｅｌｅｒａｎｄｔｈｅｒｅａｒｄｅｆｌｅｃｔｏｒｏｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｒａｔｅｓ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｒａｔｅ，ｔｈｅｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｔｈｅｔｏｔａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ．

  目前，渦輪流量計的優(yōu)化主要通過改良其導(dǎo)流件、葉輪、軸承、非磁電信號檢出器等部件的結(jié)構(gòu)尺寸和加工工藝，來改善流量計測量氣體、高粘度流體和小流量時的特性．孫立軍［７］對降低渦輪流量傳感 器 粘 度 變 化 敏 感 度 進(jìn) 行 了 研 究．ＳＵＮ等［８］采用了Ｓｔａｎｄａｒｄ?。耄?epsilon; 湍流模型數(shù)值模擬口徑為１５ｍｍ 的渦輪流量計的內(nèi)部流動，結(jié)果表明壓力損失受到前端和后端形狀、導(dǎo)流體半徑、導(dǎo)流體的導(dǎo)流片和渦輪葉片厚度的影響．劉正先和徐蓮環(huán)［９］雖然對氣體渦輪流量計的流動進(jìn)行實驗測量和數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)變化對后面各部件內(nèi)的氣體流動速度梯度和壓力恢復(fù)也有明顯影響，使總壓力損失進(jìn)一步放大或減小，但對流量計的其它部件未進(jìn)行分析．本文將對一種型號氣體渦輪流量計各部件的壓力損失與流量的關(guān)系進(jìn)行分析研究，以提出其優(yōu)化思路。

１、渦輪流量計的基本結(jié)構(gòu)及工作原理：
  本文 采 用 蒼 南 儀 表 廠 的 ＣＮｉＭ－ＴＭ 系 列８０ｍｍ口徑氣體渦輪流量計作為研究對象，對其進(jìn)行內(nèi)部流道的壓力損失數(shù)值模擬．氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)示意圖如圖 １．氣體渦輪流量計實物如圖２，其中圖２（ａ）為渦輪流量計實物圖，圖２（ｂ）為渦輪流量計機(jī)芯葉輪實物圖．

圖１　氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)圖

圖２　渦輪流量計及葉輪實物圖

  氣體渦輪流量計的原理是，氣體流過流量計推動渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系，通過測量葉輪轉(zhuǎn)速來得到流體流速，進(jìn)而得到管道內(nèi)的流量值［１０］．渦輪流量計輸出的脈沖頻率ｆ 與所測體積流量ｑｖ成正比，即ｆ＝ｋｑｖ． （１）式（１）中：ｋ—流量計的儀表系數(shù)．根據(jù)運動定律可以寫出葉輪的運動方程為Ｊｄωｄｔ＝Ｔｒ－Ｔｒｍ－Ｔｒｆ－Ｔｒｅ． （２）５３１式（２）中：Ｊ—葉輪的轉(zhuǎn)動慣量；ｔ—時間；ω—葉輪的轉(zhuǎn) 速；Ｔｒ—推 動 力 矩；Ｔｒｍ—機(jī) 械 摩 擦 阻 力 矩；Ｔｒｆ—流動阻力矩；Ｔｒｅ—電磁阻力矩。

２、計算模型：
２．１、數(shù)學(xué)模型設(shè)定渦輪流量計 數(shù)值模擬的 工 作 介 質(zhì) 為 空氣．流動處于湍流流動，數(shù)值模擬湍流模型采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ?。耍?epsilon; 模型，

該模型適用于模擬計算旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流等，其模型方程表示為［１１］：

模型方程表示

ωｋ；Ωｉｊ＝珚Ｒｉｊ －εｉｊｋωｋ；珚Ｒｉｊ＝１２ｕｉｘｊ－ｕｊｘ（ ）ｉ；Ｍｔ＝Ｋａ槡２；Ｃε１＝１．４４；Ｃ２＝１．９；Ｃε３＝０；σＫ＝１．０；σε＝１．２；Ａ０＝４．０４；ρ—流體密度；ｘｉ，ｘｊ—各向坐標(biāo)；珔ｕｉ，珔ｕｊ—各向流速平均值；ａ—聲速；μ—動力粘性系數(shù)；υ—運動粘 性 系數(shù)；Ｋ—湍 流 動 能；ε—湍 流耗散率；βＴ—膨脹系數(shù)；ωｋ—角速度；珚Ｒｉｊ—時均轉(zhuǎn)動速率張量；如不考慮浮力影響Ｇｂ＝０，如流動不可壓縮，珚Ｓｋｋ＝０，

ＹＭ＝０。

２．２、流體區(qū)域網(wǎng)格劃分使用：
  Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三維設(shè)計軟件依照實物尺寸對渦輪流量計各部件進(jìn)行建模及組裝，簡化主軸、取 壓 孔 和 加 油 孔 等 對 流 體 區(qū) 域 影 響 較 小 的部分．

  先對機(jī)芯部分做布爾運算得到純流體區(qū)域，然后對葉輪外加包絡(luò)體形成旋轉(zhuǎn)區(qū)域，在機(jī)芯進(jìn)出口前后均加上１５倍機(jī)芯口徑的直管段，以保證進(jìn)出口流動為充分發(fā)展湍流．

  全部流體區(qū)域包括前后直管段、葉輪包絡(luò)體以及機(jī)芯部 分的流體區(qū)域．用 Ｇａｍｂｉｔ軟件對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對流體區(qū)域中的小面和尖角等難以生成網(wǎng)格的部分進(jìn)行優(yōu)化和簡化處理，流體區(qū)域使用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，并對機(jī)芯流道內(nèi)葉輪等流動情況較復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行了局部加密，如圖３．其中圖３（ａ）為機(jī)芯流體區(qū)域網(wǎng)格圖，圖３（ｂ）為葉輪網(wǎng)格圖，整體網(wǎng)格總數(shù)量約２３０萬．

圖３　渦輪流量計流體區(qū)域網(wǎng)格圖

２．３、數(shù)值模擬仿真條件設(shè)置數(shù)值計算時，為方便模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比，環(huán)境溫度、濕度和壓力設(shè)置與實驗工況相同，流體介質(zhì)選擇空氣，

空氣的密度ρ和動力粘度η根據(jù) Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ提出的計算規(guī)程擬合推導(dǎo)出的簡化公式（５）和（６）計算獲得［１２］：ρ＝２．０３２×１０－１－７．１３７×１０－４?。裕玻玻福?times;１０－５　Ｐ－３．７２８×１０－８?。裕校?（５）η＝４．１０３×１０－６＋４．５８７×１０－８?。裕矗梗矗?times;１０－１０　Ｈ． （６）式（５）（６）中：Ｔ—溫度；Ｐ—壓力；Ｈ—濕度．求解器采用分離、隱式、穩(wěn)態(tài)計算方法，湍流

  模型選擇 Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ?。耄?epsilon; 湍流模型，壓力插值選擇Ｂｏｄｙ?。妫铮颍悖濉。鳎澹椋纾瑁簦澹涓袷?，湍流動能、湍流耗散項和動量方程均采用二階迎風(fēng)格式離散，壓力與速度的耦合采用 ＳＩＭＰＬＥＣ 算法求解，其余設(shè)置均采用 Ｆｌｕｅｎｔ默認(rèn)值．

圖４　流量與壓力損失曲線圖

圖５　流量計軸向剖面靜壓分布圖

圖６　流量計軸向剖面流線圖

圖７　流量計軸向剖面和出口橫截面總壓分布圖

圖８　流量計軸向剖面和出口橫截面速度分布圖

圖９　各部件的流量與壓力損失曲線圖  圖１０　各部件壓力損失百分比圖