摘要：利用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)渦輪流量計(jì)內(nèi)的三維湍流流動(dòng)進(jìn)行建模和基于N-S方程的仿真分析。數(shù)值計(jì)算采用k-ε 模型來模擬湍流流動(dòng)，得到渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)三維流動(dòng)形態(tài)，并分析其內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律、流速和壓力分布；以三維湍流仿真的仿真結(jié)果為依據(jù)，對(duì)前導(dǎo)流器進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：流線型前導(dǎo)流器能降低整個(gè)流量計(jì)的壓損。
  渦輪流量計(jì)是速度式流量計(jì)的一種，其測(cè)量準(zhǔn)確度高，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好，量程范圍寬，量程比可達(dá)（10～20）：1，線性好，耐高壓，壓力高，壓力損失小，對(duì)流量變化反應(yīng)迅速，因此它被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、工業(yè)鍋爐、燃?xì)庹{(diào)壓站、輸配線管網(wǎng)天然氣、城市天然氣管網(wǎng)等領(lǐng)域，并已被廣泛應(yīng)用于貿(mào)易計(jì)算。氣體渦輪流量計(jì)的氣體流動(dòng)是極其復(fù)雜且非穩(wěn)態(tài)的，若通過單純的經(jīng)驗(yàn)公式理論分析與流量計(jì)性能試驗(yàn)研究的常規(guī)方法確定其設(shè)計(jì)參數(shù)，難以得到理想的效果。流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)狀況直接決定流量計(jì)的性能，因此了解渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)可以改良和研制高性能渦輪流量計(jì)產(chǎn)品。國(guó)外很早就進(jìn)行了仿真研究，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過CFD仿真研究了切線型渦輪流量計(jì)；利用數(shù)值模擬研究液體粘度對(duì)渦輪流量計(jì)的影響，利用Fluent對(duì)渦輪流量計(jì)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析獲得壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，全面了解流量計(jì)的流場(chǎng)情況，得出指導(dǎo)性和方向性的結(jié)果，可以幫助選擇性能***佳的方案。本文通過Fluent模擬氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流動(dòng)，分析其內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象，獲得流量計(jì)內(nèi)部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并對(duì)前導(dǎo)向器進(jìn)行優(yōu)化。

1、渦輪流量計(jì)的原理：
  渦輪流量計(jì)主要由殼體、前后導(dǎo)流器、葉輪組件、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器等組成，其原理如圖1所示。當(dāng)被測(cè)流體通過流量計(jì)時(shí)，流體通過導(dǎo)流器沖擊渦輪葉片，由于渦輪葉片與流體流向間有一傾角θ，流體沖擊力對(duì)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使渦輪克服機(jī)械摩擦阻力矩和流動(dòng)阻力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)；在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，渦輪的旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速與通過渦輪的流量成正比；渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化而產(chǎn)生與流量成正比的脈沖信號(hào)。

2、計(jì)算方法與模型選擇簡(jiǎn)化：
2.1仿真模型建立與網(wǎng)格劃分：
  根據(jù)實(shí)際情況，本文選擇普通的DN150氣體渦輪流量計(jì)為研究對(duì)象。為了消除渦輪流量計(jì)入口的脈動(dòng)流，在流量計(jì)的入口加了0.5倍長(zhǎng)度的直管段，出口也加了1倍長(zhǎng)度的直管段。按照仿真模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用分塊建模的方法，將模型域分為前導(dǎo)流件、葉輪、支架、后導(dǎo)流件及前后直管段等6部分。流量計(jì)參數(shù)如表1所示。

  根據(jù)計(jì)算域的復(fù)雜程度，前、后導(dǎo)流件及葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為370 000。支架及前后直管段采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，以節(jié)約計(jì)算資源，網(wǎng)格數(shù)為350 000。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2、湍流模型的選擇與簡(jiǎn)化：
本研究基于的控制方程為粘性、不可壓縮的N-S方程。
連續(xù)性方程為：

  湍流模型采用Reynolds Stress模型不收斂，采用Spalart-Allmaras精度不夠，故湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε
模型進(jìn)行仿真。連續(xù)性條件通過壓力修正得到滿足。方程的求解方法采用SIMPLE算法，方程離散過程中采用二階迎風(fēng)格式離散。
針對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的流動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)模型做如下簡(jiǎn)化：由于本文入口邊界為速度入口且入口速度都小于50m/s，速度的變化對(duì)氣體的密度影響很小，因此假定為不可壓縮流動(dòng)；將葉輪旋轉(zhuǎn)部分設(shè)定為相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，流動(dòng)為定常。仿真過程邊界條件選擇如下。
入口邊界條件：雖不知道壓力條件但能容易得到入口速度，故選擇速度入口為：

  式中：r為管道半徑；qv為不同流量點(diǎn)的流量；u為對(duì)應(yīng)流量點(diǎn)的管道平均流量。給定流量點(diǎn)500m3/h，入口速度為7.86m/s。
出口邊界條件：自由出流，其他邊界均為壁面。采用Fluent中的MRF（多參考系）模型，給定葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值仿真的介質(zhì)為室溫下的空氣。
3、仿真結(jié)果及分析：
3.1速度場(chǎng)分析:
（1）速度場(chǎng)沿軸線的分布中心線剖面速度分布如圖3所示。

  由圖3可以看到，渦輪流量計(jì)內(nèi)部的速度場(chǎng)近似于中心軸線上下對(duì)稱，前導(dǎo)流器圓弧型端部中間部分速度明顯減小，靠近管壁速度增大。氣體進(jìn)入前導(dǎo)流器后，由于球面中間部分的阻擋，導(dǎo)致靠近圓弧面速度減小，且圓弧面的存在使流動(dòng)的橫截面積減小，環(huán)形通道的流速加快。
（2）葉輪進(jìn)出口截面上的速度分布葉輪進(jìn)出口截面上的速度分布分別如圖4和圖5所示。

  從圖4可以看出，在葉輪的入口截面上，速度軸對(duì)稱分布，這是由于所有葉片形狀完全相同且成中心對(duì)稱分布，以及前導(dǎo)流器成中心對(duì)稱并與葉輪葉片數(shù)相同，氣流流經(jīng)葉片時(shí)會(huì)與葉片迎流面發(fā)生碰撞而使得氣流速度減小，而背流面氣流由于截面減小從而使氣流加速。對(duì)比圖4和圖5可以看出，速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)非常相似，后者的速度大小明顯增大。這主要是因?yàn)樾D(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣流的牽連作用使得圓周方向的速度加大。

3.2、壓力場(chǎng)分布:
中心縱剖面壓力分布如圖6所示。葉輪進(jìn)出口壓力分布如圖7、圖8所示。
從圖6可以看出，流道的內(nèi)部壓力逐漸減小。其中，前導(dǎo)流器球面壓損大，環(huán)形通道幾乎無壓力損失。其余部分壓力分布比較均勻。
由圖7、圖8可知，葉片迎流面上為高壓區(qū)域；沿著流動(dòng)方向壓力逐漸降低；葉片壓力面上為低壓區(qū)域，沿著流動(dòng)方向壓力逐漸增加。在葉片的入口截面上葉片前緣有明顯的壓力過渡，這些均說明葉片迎流面形狀對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)特性有影響。葉片前緣壓力較高，這是因?yàn)闅饬髟诹鲃?dòng)時(shí)，首先與葉片迎流面的前緣發(fā)生碰撞，做功較大的緣故。葉片后緣壓力也較高，是因?yàn)槭苓吔鐚拥挠绊憽?/p>

4、優(yōu)化后的流場(chǎng)
分析氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)流場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)對(duì)流量計(jì)的壓損影響***大，為減小入口氣流對(duì)前導(dǎo)向器中心體的碰撞影響，降低進(jìn)口的壓力損失，對(duì)前導(dǎo)向器做如下改進(jìn)：將圓弧型前導(dǎo)流器改為流線型。通過對(duì)圖中的模型重新進(jìn)行流態(tài)仿真，優(yōu)化后渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)較優(yōu)化前更加均勻穩(wěn)定。改進(jìn)前后中心剖面壓力等值線分布如圖9、圖10所示。
從圖9、圖10中可以看出，改進(jìn)后前導(dǎo)向器的壓力損失更均勻（梯度較小），并使其后各部分的壓損減小，從而降低了渦輪流量計(jì)整體的壓損。
5、結(jié)束語
為研究渦輪流量計(jì)測(cè)量過程的流態(tài)分布，本文優(yōu)化了內(nèi)部流道，得到壓力損失小的渦輪流量計(jì)。通過對(duì)原型渦輪流量計(jì)內(nèi)部氣體流動(dòng)規(guī)律的分析，得知前導(dǎo)向器的壓力損失不均勻（壓力梯度很大），可以將圓弧型前導(dǎo)向器改為流線形前導(dǎo)向器，降低渦輪流量計(jì)的總壓損，從而實(shí)現(xiàn)了渦輪流量計(jì)的氣流通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。