摘要：為優化小流量渦輪流量計結構,建立小流量渦輪流量計的數學模型和三維模型,通過其流場特性進行仿真分析,研究導流架端部的形狀、葉輪與導流架之間凹槽寬度、葉輪面積和形狀對葉輪穩定旋轉的影響,并對不同結構導流架端部的小流量渦輪流量計的流場特性進行了分析,圓錐形結構葉輪的高壓低速區面積最小，能夠有效減少壓力損失,提高流量計的測量精度。
0引言
渦輪流量計是一種典型的速度式流量計,具有精度高、重復性好、結構簡單、在石油、化工、航空航天、電力等領域有著及其重要的應用中。為解決氣液兩相流量計量問題,文獻[2]設計了一種雙渦輪質量流量計;文獻[3]針對傳統渦輪流量計需鋪設電源線和信號傳輸電纜,使用不方便的問題,設計了一種基于ARM單片機的無線渦輪流量計;文獻[4]采用3葉片長螺旋形結構設計了一種新型的渦輪流量計;文獻[5]研究了基于渦輪式氣體流量傳感器的呼氣容量計算方法;文獻[6]研究了渦輪流量計變粘度流量計算與校準方法;文獻[7]研究了一種高壓氣體渦輪流量計。這些研究推動了渦輪流量計研究和應用,隨著小流量計量精度要求的不斷提高，小流量渦輪流量計的流場特性等受到關注。本文從小流量渦輪流量計設計需求出發,通過建立小流量渦輪流量計的數學模型、三維模型,仿真分析小流量渦輪流量計的流場特性，研究其優化設計。
1渦輪流量傳感器工作原理
渦輪流量計依靠流經管道的流體對置于管道內葉輪葉片的沖擊驅動葉輪轉動,如圖1所示，其核心結構包括殼體、前后導流架、葉輪、軸承和磁鋼。其中殼體連接外部管道,固定內部結構部件,對進入殼體內的流體進行微整流;葉輪空心輪轂內裝磁鋼,兩端裝有軸承,與導流架.配合,保證葉輪穩定旋轉,實現流量大小的計量。
2小流量渦輪流量計數學模型
流體流速流量與葉輪角速度成比例關系,通過對渦.輪葉片.上力矩的分析,綜合小流量渦輪流量計的葉輪結構特性及其制造工藝,依據動量矩定理得到葉輪運動方程為:
式(1)中,J為葉輪轉動動量;ɷ為葉輪旋轉角速度;Md為葉輪驅動力矩,Mr,為葉片表面粘性摩擦阻力矩;Mb為軸與軸承間的粘性摩擦阻力矩;Mh為輪轂周面上粘性摩擦阻力矩;Mw為輪轂端面上的粘性摩擦阻力矩;Mt為葉片頂端與殼體間隙的粘性摩擦阻力矩;Mm為電磁阻力矩和軸承上摩擦阻力矩之和。
式(1)中:
式(3)中ρ為流體密度;Q為流體體積流量;u1為流體的軸向來流速度;u2為流體流出時葉片速度;a1為流體流人時與葉輪圓周方向的夾角;a2為流體流出葉片與葉輪圓周切向的夾角;如圖2葉片入口和出口的速度平面圖所示。
當流量恒定時,式(3)中ρ、Q、u1、a1為已知量,考慮到葉輪葉片旋轉方向上流體進出口線速度相同,記進出口線速度分別設為Ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記流體與葉輪葉片出入口的相對角速度分別為ɷ1和ɷ2,則圓周運動方向夾角β2與葉片與軸線結構夾角θ之間有式(4)所示關系:
式(9)中,ɷh?為輪轂處角速度;βw為平均相對流速方向與葉輪軸線間角度;Ah為葉片部分輪轂面積,R0為葉輪所在殼體內徑,Rh為輪轂半徑
輪轂周面粘性摩擦阻力矩Mhf為:
3渦輪流量計三維流場仿真與優化設計
3.1葉輪三維模型建立
基于上述分析可見，葉輪的運動特性主要受其結構參數、流體粘性系數等影響。為分析小流量渦輪結構的流場特性,設計參數如表1所示葉輪系統,借助UG軟件建立其三維仿真模型;將該三維模型導入ANSYSWork-bench軟件中仿真。
考慮到葉輪的運動性能是流量計量的核心,仿真中采用小四面體網格。小尺寸窄表面采用局部網格,渦輪旋轉區劃分的網格數約為230萬,整個模型劃分的網格總數為353萬。
3.2葉輪流場特性分析
3.2.1葉輪速度場分析
分別取流量為5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉輪流場仿真分析,獲得上述流量下葉輪后導流架后端速度矢量圖(圖3(a),(b),(c)所示),可見流體與前導流架前端碰撞產生低速區，靜壓力變大,且隨流量增大而變大,壓力損失明顯;流體進入前導流架后,流速加快,雷諾數增加,湍流強度變大。流體進入葉輪前，先流經葉輪與前后導流架連接的槽,由于槽內流速低,此時流量的速度分布不均,且有強渦流產生。回流導葉尾端速度矢量圖如圖3(d)所示,流體在后導流架后端出現長尾流,尾流長度隨流量增大而減小。
3.2.2壓力場分析
分析上述三個不同流量時流道內壓力場,發現隨著流量增加,葉輪、導流架上游面形成的靜壓變高,葉片上游面和葉片下游面的壓力隨著流量的增加而減小(如圖4所示),可見,導流架端部的形狀、葉輪與導流架之間凹槽寬度、葉輪面積和形狀對葉輪穩定旋轉均有明顯影響。
3.3結構優化設計
3.3.1導流架頭部結構設計
基于上述CFD仿真分析結果,為有效減小葉輪壓力.損失,將原導流架頭部的球形分別設計橢球型和圓錐形,改進后的導流架頭部尺寸如圖5所示。
3.3.2結構優化后葉輪三維流場特性
基于上述結構,仿真流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時，不同導流架結構下葉輪速度場,由.圖6可見,圓錐形結構葉輪的高壓低速區面積最小,其次是橢圓形體,球形結構葉輪的高壓低速區面積最大,圓錐形結構能夠有效減少壓力損失,提高流量計的測量精度。在前導流架環狀流動路徑中，圓錐形流體的速度分布最均勻的，橢圓體結構次之,球形結構最差,圓錐結構具有較好的整流效果。
流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時,改進后導流架頭部形狀后端形成的尾流如圖7所示。圓錐形結構尾流面積最小,橢球形較小，球形結構尾流面積最大,三種形狀的尾流中均有渦流出現,圓錐形產生渦流最小,壓力損失最小。
4結論
本文從小流量渦輪流量計設計需求出發,通過建立小流量渦輪流量計的數學模型、三維模型,基于小流量渦輪流量計的流場特性,優化改進了其導流架結構,所得結論如下:
(1)由于流體對前導流架沖擊,會導致葉輪靜壓力變.大,流道面積變小,流速增大,經前導流架進人葉輪旋轉區后隨葉輪旋轉形成旋流。
(2) 隨著流量增加,葉輪、導流架上游面形成的靜壓變高,葉片上游面和葉片下游面的壓力隨著流量的增加.而減小。
(3)圓錐形結構葉輪的高壓低速區面積最小，能夠有效減少壓力損失,提高流量計的測量精度。此外,在前導流架環狀流動路徑中,圓錐形流體的速度分布最均勻的，較橢圓體球形導流架結構,圓錐結構具有最好的整流效果。
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