【摘 要】借助計(jì)算流體力學(xué)(cfd)方法對旋進(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,使得檢測信號的強(qiáng)度得到增強(qiáng),從而擴(kuò)展了測量下限;收縮比和擴(kuò)張角過大和過小對于流量計(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)的流量測量[1].20世紀(jì)70年代,dijstelbergen[2]對旋進(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)在高壓氣體測量方面商業(yè)化應(yīng)用前景.furio和gianfranco[3]對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)做了實(shí)際工況下的儀表特征測試,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)振蕩頻率信號容易被外界振動(dòng)與流體脈動(dòng)噪聲所干擾[4],對此宋開臣和傅新[5,6]提出安裝對稱兩個(gè)壓力信號探頭,相位差180°,用信號差分處理提高旋進(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]對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究了旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場的演變情況,分析了流場干擾對旋進(jìn)旋渦流量計(jì)流場進(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]對旋進(jìn)旋渦內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,獲得了比較全面的流場信息,對這種流量計(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)等問題.本文借助流體力學(xué)數(shù)值仿真的方法對旋進(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質(zhì)量.文中采用導(dǎo)流葉片來降低壓損,提高流量計(jì)性能,還著重考慮針對起旋器葉片數(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

針對現(xiàn)有旋進(jìn)旋渦流量計(jì)壓損大、小流量信號弱等問題,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)和寸見圖2.流量計(jì)長度為232 mm,入口管徑50 mm,收縮段長度94.2 mm,發(fā)展段管徑為36 mm、長度為35.8 mm,擴(kuò)張段長為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有導(dǎo)流部分(圖1),葉片與來流之間夾角為60°,來流不是切向進(jìn)入,會造成嚴(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)方案中考慮把原來起旋器葉片延長并作彎曲(見圖3a),使得入口與來流夾角為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)張角大小對渦核運(yùn)動(dòng)會產(chǎn)生很大影響.本文將對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.需要說明的是,對擴(kuò)張角和收縮比參數(shù)研究時(shí),針對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)算過程

圖4為流量計(jì)仿真物理模型,計(jì)算區(qū)域總長度為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)雜部分對網(wǎng)格進(jìn)行加密.網(wǎng)格數(shù)大約為80萬.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)置對稱兩點(diǎn)作為壓力脈動(dòng)信號采集點(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)為無滑移邊界條件.流量從10 m3/h開始,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)算中對非定常迭代時(shí)間步長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)信號最強(qiáng).并且如果采用相位差為180°的兩個(gè)軸對稱點(diǎn)進(jìn)行差分處理可以使脈動(dòng)信號增強(qiáng)一倍,所以本研究選取截面1作為信號檢測面.

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),壁面處無法檢測到壓力周期信號.也就是說,延長收縮段使得收縮比變大時(shí),流量檢測范圍變小,達(dá)不到改善流量計(jì)測量特性的目的,因此,以下討論不再包含收縮比的內(nèi)容.

3.1 流場特性和旋渦進(jìn)動(dòng)頻率

圖5是針對原型流量計(jì)內(nèi)部流場的模擬結(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),我們在計(jì)算模型的入口處與出口處分別設(shè)置監(jiān)測截面,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),會發(fā)生嚴(yán)重的流動(dòng)分離,從而帶來很大的能量損失;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)的情況相比基本沒有變化,說明了在流量計(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 檢測探頭處的壓力信號

對相位相差180°的兩路壓力信號做差分后能在一定程度上抑制管道同模干擾信號并且能使信號強(qiáng)度增大一倍,故而對小流量測量時(shí)更敏感,能有效提高測量精度.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幅值列于表3.

圖8為各模型壓力信號幅值與流量的關(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°后信號較60°時(shí)變?nèi)?擴(kuò)張角增大至90°時(shí)信號最弱,可見擴(kuò)張角不是越大越好,也不是越小越好,就本文數(shù)據(jù)來說,60°是最好的一個(gè)選擇.