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【摘 要】借助計(jì)算流體力學(xué)(cfd)方法對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行了研究,獲得了流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)信息,驗(yàn)證了在流量計(jì)工作范圍內(nèi)旋渦進(jìn)動(dòng)頻率與流量之間良好的線性關(guān)系.重點(diǎn)對(duì)幾種旋進(jìn)旋渦流量計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化方案進(jìn)行了仿真分析,這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案包括在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)起旋器入口加裝導(dǎo)流葉片、改變擴(kuò)張段的擴(kuò)張角和改變收縮比.結(jié)果發(fā)現(xiàn),加裝導(dǎo)流葉片可以顯著減小流量計(jì)壓力損失,并可增加渦核的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度,使得檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度得到增強(qiáng),從而擴(kuò)展了測(cè)量下限;收縮比和擴(kuò)張角過(guò)大和過(guò)小對(duì)于流量計(jì)性能都不利,存在一個(gè)最佳值.

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是根據(jù)旋渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象設(shè)計(jì)的一種流體振蕩式流量計(jì),具有流量范圍寬、無(wú)可動(dòng)部件、不易腐蝕、可靠性高、安裝使用方便、直管段要求短等優(yōu)點(diǎn),適用于石油、蒸汽、天然氣、水等多種介質(zhì)的流量測(cè)量[1].20世紀(jì)70年代,dijstelbergen[2]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)性能進(jìn)行了比較全面的實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了該流量計(jì)線性輸出特性,并且發(fā)現(xiàn)該流量計(jì)不易受介質(zhì)黏度和密度影響,指出了旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在高壓氣體測(cè)量方面商業(yè)化應(yīng)用前景.furio和gianfranco[3]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)做了實(shí)際工況下的儀表特征測(cè)試,探索該流量計(jì)在計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用的可行性.旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作時(shí)振蕩頻率信號(hào)容易被外界振動(dòng)與流體脈動(dòng)噪聲所干擾[4],對(duì)此宋開(kāi)臣和傅新[5,6]提出安裝對(duì)稱兩個(gè)壓力信號(hào)探頭,相位差180°,用信號(hào)差分處理提高旋進(jìn)旋渦流量計(jì)抗干擾能力,取得了良好效果.

對(duì)于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)特性及流量計(jì)改進(jìn)方面,科研人員也進(jìn)行了一定探索.彭杰綱等人[7-9]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究了旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)的演變情況,分析了流場(chǎng)干擾對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)流場(chǎng)進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的影響.張濤等人[10]采用數(shù)值方針的方法對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,使得流量計(jì)的壓力損失有了一定減小.何馨雨等[11]對(duì)旋進(jìn)旋渦內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,獲得了比較全面的流場(chǎng)信息,對(duì)這種流量計(jì)的內(nèi)部流動(dòng)特性有了更加深入的理解.

目前,旋進(jìn)旋渦流量計(jì)應(yīng)用中還存在壓損較大、下限流量(始動(dòng)流量)偏大、系列設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)等問(wèn)題.本文借助流體力學(xué)數(shù)值仿真的方法對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)做了系統(tǒng)研究,分析了旋進(jìn)旋渦流量計(jì)壓力損失情況和輸出信號(hào)質(zhì)量.文中采用導(dǎo)流葉片來(lái)降低壓損,提高流量計(jì)性能,還著重考慮針對(duì)起旋器葉片數(shù)量、擴(kuò)張角度等參數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化研究.希望通過(guò)此項(xiàng)研究工作能夠?yàn)樾M(jìn)旋渦流量計(jì)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論上的支持.

1 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作原理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究方案

1.1 工作原理

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)主要由起旋器、文丘里管、消旋器和檢測(cè)傳感器組成,其結(jié)構(gòu)原理如圖1.

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是基于旋渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象工作的[12].流體流入旋進(jìn)旋渦流量計(jì)后,首先通過(guò)一組由固定螺旋形葉片組成的起旋器后被強(qiáng)制旋轉(zhuǎn),使流體形成旋渦流.旋渦中心為“渦核”是流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度很高的區(qū)域,其外圍是環(huán)流.流體流經(jīng)收縮段時(shí)旋渦加速,沿流動(dòng)方向渦核直徑逐漸縮小,而強(qiáng)度逐漸加強(qiáng).此時(shí)渦核與流量計(jì)的軸線相一致.當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)大段后,旋渦急劇減速,壓力上升,中心區(qū)域的壓力比周圍的壓力低,于是產(chǎn)生了局部回流.在回流作用下,渦核偏離中心軸像剛體一樣在擴(kuò)張段壁面做螺旋進(jìn)動(dòng),并且是圍繞中心軸進(jìn)行的.進(jìn)動(dòng)頻率與流體的流速成正比.因此,測(cè)得旋進(jìn)旋渦的頻率即能反映流速和體積流量的大小.

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

針對(duì)現(xiàn)有旋進(jìn)旋渦流量計(jì)壓損大、小流量信號(hào)弱等問(wèn)題,提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化研究方案.改進(jìn)對(duì)象為一個(gè)dn50氣體旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寸見(jiàn)圖2.流量計(jì)長(zhǎng)度為232 mm,入口管徑50 mm,收縮段長(zhǎng)度94.2 mm,發(fā)展段管徑為36 mm、長(zhǎng)度為35.8 mm,擴(kuò)張段長(zhǎng)為12 mm,擴(kuò)張角度為60°.具體改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化研究如下:

1)起旋器入口加裝導(dǎo)流葉片段.原有起旋器葉片在入口段沒(méi)有導(dǎo)流部分(圖1),葉片與來(lái)流之間夾角為60°,來(lái)流不是切向進(jìn)入,會(huì)造成嚴(yán)重的流動(dòng)分離.流動(dòng)分離使得流動(dòng)擾動(dòng)和流動(dòng)阻力增大.因此,改進(jìn)方案中考慮把原來(lái)起旋器葉片延長(zhǎng)并作彎曲(見(jiàn)圖3a),使得入口與來(lái)流夾角為0°,即流動(dòng)切向進(jìn)入,以期改善流動(dòng)狀態(tài).

2)起旋器葉片數(shù)量增加.起旋器原來(lái)的葉片數(shù)量是6片,考慮增加1片(圖3b),同時(shí)為了保證流動(dòng)面積不減小,將葉片厚度由2.5 mm變?yōu)?.5 mm(當(dāng)前加工能力能夠做到).螺旋角度保持不變,仍為30°.

3)關(guān)于流量計(jì)殼體參數(shù)方面,對(duì)擴(kuò)張角和收縮比進(jìn)行研究.如前所述,旋渦進(jìn)入擴(kuò)張段后急劇減速,產(chǎn)生了局部回流,渦核偏離中心軸打在壁面上,產(chǎn)生壓力脈動(dòng).因此,擴(kuò)張角大小對(duì)渦核運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大影響.本文將對(duì)30°、60°(原型參數(shù))和90°(階梯型)三種情況進(jìn)行模擬計(jì)算.收縮比也是比較重要的一個(gè)參數(shù),收縮比越大,旋渦旋轉(zhuǎn)速度增加越多,但是同時(shí)壓損將變大,而且可能造成擴(kuò)張段渦核擾動(dòng)對(duì)沖擊壁面的影響減低.本文考察了50∶36(目前參數(shù))和50∶32兩種收縮比的情況.需要說(shuō)明的是,對(duì)擴(kuò)張角和收縮比參數(shù)研究時(shí),針對(duì)的起旋器模型是加裝了導(dǎo)流葉片(6個(gè)葉片)的情況.

2 計(jì)算模型

2.1 流體力學(xué)控制方程和湍流模型

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流體動(dòng)力特性可以用流體力學(xué)基本方程描述如下.

連續(xù)性方程與動(dòng)量方程[13,14]:

流量計(jì)內(nèi)部為湍流流動(dòng),需引入湍流模型.標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型用于強(qiáng)旋流或帶有彎曲壁面的流動(dòng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)一定失真,因此本文選用rngk-ε湍流模型.湍流模型和相關(guān)方程在文獻(xiàn)[11]中有詳細(xì)說(shuō)明,感興趣的讀者可參考這篇文獻(xiàn).

2.2 仿真模型的建立與計(jì)算過(guò)程

圖4為流量計(jì)仿真物理模型,計(jì)算區(qū)域總長(zhǎng)度為447 mm,網(wǎng)格劃分采用的是非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格,在局部流動(dòng)復(fù)雜部分對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密.網(wǎng)格數(shù)大約為80萬(wàn).在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流通管道上設(shè)置五個(gè)壓力檢測(cè)截面1,2,3,4,5.截面1位于擴(kuò)張段的中部,截面2位于擴(kuò)張段上游5 mm處,截面3位于擴(kuò)張段上游10 mm處,截面4擴(kuò)張段上游15 mm處,截面5位于擴(kuò)張段下游5 mm處.分別在每個(gè)截面距壁面6 mm處設(shè)置對(duì)稱兩點(diǎn)作為壓力脈動(dòng)信號(hào)采集點(diǎn).

本項(xiàng)工作采用了fluent流體力學(xué)計(jì)算軟件.計(jì)算流程和條件參數(shù)設(shè)置如下:

選用3 d解算器;求解模型solver設(shè)置為非耦合隱身算法,并設(shè)置為非定常流動(dòng).湍流模型是rngk-ε湍流模型.設(shè)置流體物理屬性:選擇空氣密度1.225 kg/m3.

邊界條件:入口設(shè)為速度入口;出口邊界條件設(shè)定為壓力出口;壓力值固定為1個(gè)大氣壓(101325 pa);管壁及起旋器表面設(shè)為無(wú)滑移邊界條件.流量從10 m3/h開(kāi)始,然后取20 m3/h ,40 m3/h,再每間隔40 m3/h取一次(80 m3/h,120 m3/h,160 m3/h,200 m3/h和240 m3/h ),計(jì)算中對(duì)非定常迭代時(shí)間步長(zhǎng)的選取需注意要比脈動(dòng)周期小得多,小于1/10脈動(dòng)周期.

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

何馨雨等計(jì)算發(fā)現(xiàn)在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流通管道截面1,2,3,4,5中,擴(kuò)張段截面1及其上游5 mm處(即截面2)處的旋渦脈動(dòng)信號(hào)最強(qiáng).并且如果采用相位差為180°的兩個(gè)軸對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)行差分處理可以使脈動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)一倍,所以本研究選取截面1作為信號(hào)檢測(cè)面.

首先考察了收縮比的影響.收縮比為50∶36時(shí),在整個(gè)流量范圍內(nèi),有正常數(shù)據(jù)獲得;而當(dāng)收縮比為50∶32時(shí)(保持?jǐn)U張角度60°不變),發(fā)現(xiàn)在流量為40 m3/h以下和200 m3/h以上時(shí),壁面處無(wú)法檢測(cè)到壓力周期信號(hào).也就是說(shuō),延長(zhǎng)收縮段使得收縮比變大時(shí),流量檢測(cè)范圍變小,達(dá)不到改善流量計(jì)測(cè)量特性的目的,因此,以下討論不再包含收縮比的內(nèi)容.

3.1 流場(chǎng)特性和旋渦進(jìn)動(dòng)頻率

圖5是針對(duì)原型流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的模擬結(jié)果(一個(gè)旋渦進(jìn)動(dòng)周期),流量為80 m3/h.可以看到,在靠近壁面處速度明顯高于其他部位,而管道中心處由于回流的影響呈負(fù)速度分布,并且壁面高速流呈逆時(shí)針做圓周狀運(yùn)動(dòng),即管道流體在擴(kuò)張段做螺旋進(jìn)動(dòng).

表1列出了各種結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的旋渦進(jìn)動(dòng)頻率數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)繪制成旋渦進(jìn)動(dòng)頻率-流量關(guān)系圖(圖6).圖中可以看出,對(duì)于研究涉及到的所有參數(shù)組合,旋渦進(jìn)動(dòng)頻率與流量之間都保持良好的線性關(guān)系.

3.2 流量與壓損的關(guān)系

在研究流量計(jì)壓損變化時(shí),我們?cè)谟?jì)算模型的入口處與出口處分別設(shè)置監(jiān)測(cè)截面,入口壓力值減去出口壓力值即作為流量計(jì)壓力損失.不同流量,各種結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的壓損列于表2.

圖7為壓力損失與流量的關(guān)系.圖中可以看出,原型流量計(jì)的起旋器前端加裝螺旋導(dǎo)流葉片后,壓損有了明顯的減小.流體進(jìn)入流量計(jì)前為是充分發(fā)展管流,進(jìn)入流量計(jì)后首先通過(guò)的是相當(dāng)于一個(gè)阻流件的起旋器,流體受到起旋器前端葉片的阻擋,當(dāng)未加導(dǎo)流葉片時(shí),會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的流動(dòng)分離,從而帶來(lái)很大的能量損失;而前端增加螺旋導(dǎo)流葉片,流體以平行于流場(chǎng)的角度引導(dǎo)流體順利并呈螺旋狀流入起旋器起旋葉片,避免發(fā)生流動(dòng)分離,壓力損失得以減小.當(dāng)增加葉片數(shù)量至7片后,壓力損失比6個(gè)葉片時(shí)進(jìn)一步減小,這是因?yàn)樵谠黾尤~片數(shù)量的同時(shí)減小了葉片厚度,流通面積面反而增大.從圖7還可以看出,將擴(kuò)張段角度縮小至30°和增大至90°時(shí),壓損曲線與60°(即原型)的情況相比基本沒(méi)有變化,說(shuō)明了在流量計(jì)壓損方面,擴(kuò)張角大小影響不大,起旋器的影響是主導(dǎo)因素.

3.3 檢測(cè)探頭處的壓力信號(hào)

對(duì)相位相差180°的兩路壓力信號(hào)做差分后能在一定程度上抑制管道同模干擾信號(hào)并且能使信號(hào)強(qiáng)度增大一倍,故而對(duì)小流量測(cè)量時(shí)更敏感,能有效提高測(cè)量精度.不同流量下原型流量計(jì)與參數(shù)改進(jìn)后模型的差分壓力信號(hào)幅值列于表3.

圖8為各模型壓力信號(hào)幅值與流量的關(guān)系圖,可看出在起旋器前端加裝螺旋導(dǎo)流葉片后,壓力信號(hào)有了明顯的增強(qiáng),平均增幅達(dá)到49%.葉片數(shù)增加至7片后壓力信號(hào)幅值比6片時(shí)有較大減弱,不可取.擴(kuò)張角縮小至30°后信號(hào)較60°時(shí)變?nèi)?擴(kuò)張角增大至90°時(shí)信號(hào)最弱,可見(jiàn)擴(kuò)張角不是越大越好,也不是越小越好,就本文數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō),60°是最好的一個(gè)選擇.