摘 要：
  通過試驗研究漸縮管對下游渦輪流量傳感器測量性能的影響，以平均儀表系數相對偏差、線性度和重復性為評價指標，指出漸縮管流場擾動使渦輪流量傳感器儀表系數減小、線性度誤差增大。通過仿真分析漸縮管下游渦輪流量傳感器內部流場，發(fā)現(xiàn)漸縮管對下游流場的擾動影響了渦輪流量傳感器的內部流場，速度分布變化是影響傳感器儀表系數的主要原因。

  液體渦輪流量傳感器儀表系數受上游阻流件流場擾動影響的研究尚不多見。筆者通過試驗和CFD 仿真，分析上游漸縮管擾動流場對渦輪流量傳感器測量性能的影響。認為漸縮管擾動使渦輪流量傳感器儀表系數變小，線性度誤差變大。速度分布變化是該影響產生的主要因素。
1、試驗研究①：
1． 1、試驗研究對象：
  以天大泰和公司生產的 DN100 渦輪流量傳感器作為試驗研究對象，其測量精度優(yōu)于 0.5%，渦輪流量傳感器的關鍵結構參數為:葉片 8 個葉片導程 251． 0mm導流葉片 3 個導流件輪轂直徑 38． 0mm前導流件長度 117． 5mm后導流件長度 73． 0mm葉輪軸向厚度 19． 0mm軸承的類型 套筒軸承。
1． 2、試驗裝置：
  試驗研究在天津大學流量檢測實驗室的高精度水流量標準裝置( 圖 1) 上進行。該裝置可檢測的流量計口徑包括 DN80、DN100、DN150、DN200、DN250 和 DN300。其標準表法可測流量的范圍為1 ～ 800m3/ h，整體不確定度為 0． 20% ( k = 2 ) ，流量穩(wěn)定度優(yōu)于 0． 10% ?？膳c稱重法和容積法的檢定結果互相比較和核實，稱重法和容積法的整體不確定度均為 0． 05% ( k = 2) 。采用高位水塔提供穩(wěn)壓水源，流量穩(wěn)定性好。

圖 1 水試驗裝置結構

表 1 試驗方案設計
  在 14 ～ 145m3/ h 范圍中取 7 個流量點進行檢定試驗，每個流量點檢定 3 次。各參數計算公式如下:

式中 Kij———每個流量點每次檢定的儀表系數;珔Ki———每個儀表系數;珔K ———平均儀表系數;Δ珔K ———傳感器上游有漸縮管情況下平均儀表系數與基準試驗平均儀表系數相比的相對偏差;ε ———線性度;δi———每點重復性;δ ———儀表重復性。
2、試驗結果與分析：
2． 1、試驗結果：
  儀表系數試驗結果如圖 2 所示，流量范圍為14 ～ 145m3/ h。從基準試驗結果可以看出，儀表系數曲線符合渦輪流量傳感器特征曲線，儀表系數在測量范圍內穩(wěn)定在 4． 23 左右。當渦輪流量傳感器上游有漸縮管時，隨前直管段長度減小，儀表系數特征曲線整體下移。

圖 2 儀表系數試驗曲線

2． 2、評價指標分析：
  不同前直管段長度情況下的儀表系數相對偏差如圖 3 所示。漸縮管對流場擾動造成的渦輪流量傳感器儀表系數誤差為負誤差，且這種影響隨流量計與漸縮管之間的直管段長度的減小而增大。從圖 4 重復性隨前直管段長度變化的曲線可以看出，重復性沒有隨直管段長度減小而有規(guī)律地變化。

圖 3 儀表系數相對偏差

  從圖 5 線性度隨前直管段長度變化的曲線可以看出，線性度隨前直管段長度減小而增大。從線性度定義可知，線性度只與傳感器***小、***大儀表系數有關。***小儀表系數處于傳感器***小流量，此時阻力矩中主要為機械摩擦阻力矩，流體粘性阻力可忽略; ***大儀表系數處于湍流流動狀態(tài)，此時阻力矩中主要為流體粘性阻力矩，機械摩擦阻力可忽略。無論阻力矩中的主要部分是什么，驅動力矩都需要與總阻力矩平衡。因此，驅動力矩變化是儀表系數變化的主要原因。漸縮管擾動影響流動介質對葉輪的驅動力矩，使***小儀表系數和***大儀表系數同時變小，導致線性度公式中分子不變，而分母變小，線性度變大。

圖 5 線性度隨前直管段長度變化的曲線

3、仿真分析：
  為研究儀表系數相對偏差隨前直管段長度變化的原因，對渦輪流量傳感器上游存在漸縮管的流場進行仿真。仿真模型使用試驗中的幾何尺寸。因為仿真中僅觀察上游漸縮管對下游渦輪流量傳感器處流場的影響，仿真模型中未考慮葉輪和前 /后導流板，并簡化了葉輪周圍對流體流動影響較小的幾何形態(tài)特征，僅分析葉輪葉片入口軸向速度剖面。分別對圓管充分發(fā)展流動中的渦輪流量傳感器流場，以及渦輪流量傳感器上游 2D、5D 和 10D處有漸縮管的 4 種流場情況進行仿真。使用商業(yè)CFD 軟件 FLUENT 進行計算。前、后直管長度分別為 50D 和 5D，在傳感器局部使用四面體網格，傳感器上、下游使用六面體和棱錐網格，湍流模型使用標準 k-epsilon 模型。流動介質為水，流量為 56m3/h。傳感器局部流場流速云圖如圖 6 所示。

圖 6 傳感器局部流場流速云圖
  葉輪葉片入口速度剖面對渦輪流量傳感器儀表系數的計算有重要影響。速度剖面的變化必然導致測量誤差。4 種流場情況下，葉片入口軸向速度剖面如圖 7 所示。為了便于觀察，取徑向位置大于零的一半放大，并以***大流速為參考量進行歸一化比較，結果如圖 8 所示?？梢钥闯觯诨鶞试囼炛?，流動介質流過前導流件迎流面后，在環(huán)形通道內的流動遠未達到充分發(fā)展狀態(tài)。所以在葉片入口位置的軸向速度剖面表現(xiàn)出靠近環(huán)形通道內側的速度較大，靠近環(huán)形通道外側的速度較小。當管道上游存在漸縮管時，漸縮管對管壁附近的流體產生收縮擠壓效果，導致靠近管壁的流速增大。這一影響一直延續(xù)到下游渦輪流量傳感器內部流場。從圖中可以看出，當渦輪流量傳感器位于漸縮管下游 2D 處時，這種影響***明顯，靠近環(huán)形通道外側處的速度相對較大，靠近環(huán)形通道內側的速度相對較小。隨著傳感器與漸縮管之間直管段長度的不斷增加，速度剖面中***大速度點的位置也不斷向環(huán)形通道內側方向移動，傳感器內部流場速度剖面逐漸向基準試驗中環(huán)形通道內的速度剖面靠近。

  Salami L A［8］的研究表明，在葉片根部和中部，流體推動葉輪轉動，在葉片頂部和中上部，流體阻礙葉輪轉動。基于相同的數學模型對渦輪流量傳感器儀表系數進行預測，采用不同的葉輪入口流體速度剖面，將獲得不同的預測結果。其中，采用環(huán)形通道充分發(fā)展狀態(tài)速度剖面進行計算，儀表系數將比實際數值偏大; 采用均勻速度剖面進行計算，儀表系數將比實際數值偏小［9］。這是因為當采用均勻速度剖面計算時，在靠近環(huán)形通道外側流體速度將明顯大于實際流速。在管道上游存在漸縮管的流場中，漸縮管對流場的擾動使渦輪流量傳感器處的速度剖面不同于充分發(fā)展流動，所造成的結果使靠近環(huán)形通道外側的流體流速增大。所以處于漸縮管下游的渦輪流量傳感器儀表系數偏小，且這種影響隨傳感器與漸縮管之間直管段長度的減小而增大。