萬(wàn)觀軍，嚴(yán)微微*，邵家存，姚海濱，林景殿，章圣意

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江蒼南儀表集團(tuán)股份有限公司，浙江 蒼南 325800)

氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式的流量傳感器，具有測(cè)量精度高、量程范圍廣、可靠性好以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 隨著我國(guó)西氣東輸工程的全線貫通，縱橫交錯(cuò)的天然氣管網(wǎng)使我國(guó)形成世界上最大的天然氣管網(wǎng)。 氣體渦輪流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于天然氣管網(wǎng)中的貿(mào)易計(jì)量，市場(chǎng)前景廣闊[1-3]。 研究氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其性能優(yōu)化在流量計(jì)量領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義[4-6]。

迄今為止，許多學(xué)者對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究。 針對(duì)前整流器研究，郭素娜等[7]將氣體渦輪流量計(jì)前整流器的葉片截取合適切角，發(fā)現(xiàn)當(dāng)葉片切角參數(shù)為0.25 時(shí)流量計(jì)的性能最好。 孫宏軍等[8]對(duì)前整流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到了流量計(jì)壓力損失和線性度誤差均為最小時(shí)前整流器的葉片數(shù)與長(zhǎng)度。 在前導(dǎo)流體研究方面，馮越[9]等將前導(dǎo)流體直徑、前導(dǎo)流體與輪轂間距作為改進(jìn)參數(shù)，比較了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下氣體渦輪流量計(jì)的性能指標(biāo)。 劉正先等[10]用流線型前導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)半球形前導(dǎo)流體，使得流量計(jì)的壓力損失降低了近33%。 針對(duì)葉輪研究，王菊芬等[11]設(shè)計(jì)了一種三葉片長(zhǎng)螺旋葉輪結(jié)構(gòu)，流量計(jì)測(cè)量的重復(fù)性明顯提高，測(cè)量的相對(duì)示值誤差明顯降低。 張曉東等[12]基于響應(yīng)面法和正交試驗(yàn)法，得出了影響流量計(jì)性能的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)順序?yàn)?葉輪頂端半徑＞葉輪葉片數(shù)＞葉輪輪轂長(zhǎng)度＞葉輪輪轂半徑。 在后導(dǎo)流體研究方面，陳曦等[13]優(yōu)化了后導(dǎo)流體的葉片倒角，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)的壓力損失隨著葉片倒角的增大而增加。 陳鑠等[14]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)流量計(jì)內(nèi)部的流場(chǎng)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)后導(dǎo)流體產(chǎn)生的壓力損失達(dá)到了總壓力損失的55%。

綜上所述，前人對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的研究主要集中在葉輪[15-16]、前整流器與前導(dǎo)流體部分，而對(duì)后導(dǎo)流體與表芯支座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其性能優(yōu)化研究目前還較為少見(jiàn)。 實(shí)際上，后導(dǎo)流體在流量計(jì)中對(duì)流體起到穩(wěn)流和導(dǎo)流的作用，表芯支座是固定葉輪的主要結(jié)構(gòu)，它們均會(huì)對(duì)流量計(jì)的性能產(chǎn)生影響。 因此，本文以TM80 氣體渦輪流量計(jì)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式，研究流量計(jì)內(nèi)部的流場(chǎng)特征，提出針對(duì)表芯支座和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，進(jìn)而評(píng)估優(yōu)化前后流量計(jì)的性能指標(biāo)，探索出提高流量計(jì)計(jì)量性能的方法，為今后開(kāi)發(fā)性能更好的氣體渦輪流量計(jì)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 流量計(jì)的物理模型與性能指標(biāo)

1.1 流量計(jì)的物理模型

以浙江蒼南儀表集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的TM80 氣體渦輪流量計(jì)為研究對(duì)象，流量計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由前整流器、前導(dǎo)流體、葉輪、表芯支座、后導(dǎo)流體以及殼體等組成，其物理模型如圖1 所示。 流量計(jì)的前整流器采用葉柵結(jié)構(gòu)，葉柵數(shù)為16；前導(dǎo)流體由第二級(jí)16 片葉柵(與前整流器葉柵呈11.5°夾角)和80 mm 長(zhǎng)的圓柱結(jié)構(gòu)組成；表芯支座用于固定葉輪，葉輪的葉片數(shù)為12，螺旋角為45°；后導(dǎo)流體置于葉輪之后，用于穩(wěn)定出口處的氣流。

圖1 TM80 氣體渦輪流量計(jì)物理模型

氣體渦輪流量計(jì)的工作原理為:被測(cè)氣體從管道流入流量計(jì)，首先經(jīng)過(guò)前整流器和前導(dǎo)流體進(jìn)行整流，之后氣流推動(dòng)葉輪使之產(chǎn)生周期性旋轉(zhuǎn)，葉輪轉(zhuǎn)速與被測(cè)流體的平均流速成正比。 葉輪旋轉(zhuǎn)后帶動(dòng)磁電轉(zhuǎn)換器，使其磁阻值發(fā)生變化，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電勢(shì)，該信號(hào)經(jīng)放大器放大后送至儀表盤(pán)顯示。

1.2 流量計(jì)的性能指標(biāo)

根據(jù)氣體渦輪流量計(jì)檢定規(guī)章《JJG1037—2008》，壓力損失、儀表系數(shù)、線性度誤差等是衡量氣體渦輪流量計(jì)計(jì)量性能的重要指標(biāo)[17]。

①壓力損失

壓力損失ΔP表征流體通過(guò)流量計(jì)的能量損失，降低壓力損失能夠減少流量計(jì)在使用過(guò)程的能耗[18]。 氣體通過(guò)流量計(jì)的壓力損失計(jì)算公式為:

式中:α為壓力損失系數(shù)；ρ為氣流密度，單位為kg/m3；u為氣流流速，單位為m/s。

②儀表系數(shù)

儀表系數(shù)K是表征流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度和量程比的關(guān)鍵性能指標(biāo)。 各流量點(diǎn)的儀表系數(shù)Ki與待測(cè)氣流體積流量Qi及流量計(jì)輸出脈沖頻率f的關(guān)系式為:

按計(jì)量檢定規(guī)章，儀表系數(shù)K可以由式(3)進(jìn)行計(jì)算:

式中:(Ki)max和(Ki)min分別表示流量計(jì)在分界流量點(diǎn)qt到最大流量點(diǎn)qmax范圍內(nèi)各個(gè)流量檢定點(diǎn)得到Ki的最大值和最小值，單位為(m3)-1。K越接近恒定，表示流量計(jì)的測(cè)量穩(wěn)定性越高，進(jìn)行流量轉(zhuǎn)換時(shí)的準(zhǔn)確度也越高。

③最大示值誤差E

為了定量表征儀表系數(shù)的穩(wěn)定性，引入最大示值誤差。 根據(jù)計(jì)量檢定規(guī)章，最大示值誤差E可以由式(4)進(jìn)行計(jì)算:

在量程范圍內(nèi)最大示值誤差越小，表明流量計(jì)的儀表系數(shù)越穩(wěn)定，線性度也就越好。

2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

2.1 數(shù)值模擬方法

氣流在氣體渦輪流量計(jì)內(nèi)部的流動(dòng)遵循流體力學(xué)的基本方程，即滿足流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。 質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方法表示為[19]:

式中:xi，xj為空間坐標(biāo)分量，ui，uj為流體流動(dòng)速度分量，p為靜壓，pij為應(yīng)力張量，fi為體積力分量。

由于流量計(jì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，氣流在流量計(jì)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)往往呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流的模擬，需要額外引入湍流模型。 本文選取RNGk-ε模型作為湍流模型[20]，其湍流動(dòng)能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程表示為:

式中:Gk表示平均速度梯度所產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，αε，αk分別表示ε和k的擴(kuò)散率，C1ε、C2ε為系數(shù)。

由于氣流運(yùn)動(dòng)與葉輪旋轉(zhuǎn)存在相互作用，需要引入扭矩模型[21]。 根據(jù)力矩平衡原理，葉輪旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為:

式中:J為葉輪慣性力矩，單位為kg·m2；dω/dt為葉輪角加速度，單位為rad/s2；M1為流體對(duì)葉輪驅(qū)動(dòng)力矩；M2為軸承摩擦阻力矩，單位為N·m；M3為黏性阻力矩，單位為N·m；M4為磁阻力矩，單位為N·m；t為時(shí)間，單位為s。

采用Fluent 軟件求解流量計(jì)內(nèi)部氣流的運(yùn)動(dòng)方程。 為了消除管道進(jìn)口段效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，在流量計(jì)的進(jìn)出口均增加了10D的直管段(D為機(jī)芯直徑)。 由于給定了流體的體積流量，進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口平均速度通過(guò)u＝Qv/A確定，方向與進(jìn)口直管段截面垂直；出口為大氣壓，壁面采用無(wú)滑移邊界。 為了求解葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程，把整個(gè)計(jì)算區(qū)域分解為靜區(qū)域和葉輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)區(qū)域，動(dòng)區(qū)域和靜區(qū)域之間采用多重參考模型(MRF)耦合。葉輪采用滑移邊界條件，與旋轉(zhuǎn)區(qū)域具有相同的轉(zhuǎn)速。 葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域與前后靜區(qū)域之間的表面定義為interface 邊界，便于與其他流域進(jìn)行信息交換。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。 實(shí)驗(yàn)裝置主要由羅茨流量計(jì)、TM80 氣體渦輪流量計(jì)、穩(wěn)壓氣罐、氣動(dòng)閥門(mén)、氣泵和控制系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。 實(shí)驗(yàn)通過(guò)遠(yuǎn)程操作PLC 設(shè)備，調(diào)節(jié)氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體體積流量的控制。 羅茨流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，其工作量程為0~250 m3/h，流量控制精度為0.5 級(jí)。 TM80 氣體渦輪流量計(jì)作為待測(cè)流量計(jì)，其測(cè)量精度等級(jí)為1 級(jí)，工作量程為13 m3/h~250 m3/h，量程比為20 ∶1。 差壓計(jì)的兩個(gè)測(cè)壓口分別安裝在待測(cè)流量計(jì)的前后直管段3D處，其量程范圍為±3 000 Pa，測(cè)量精度等級(jí)為1 級(jí)。氣泵與氣動(dòng)閥門(mén)相連，能夠產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)壓。根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)，TM80 氣體渦輪流量計(jì)需檢定13 m3/h、50 m3/h、100 m3/h 和250 m3/h 等特征流量點(diǎn)。 每個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到標(biāo)準(zhǔn)表和被測(cè)流量計(jì)的壓力損失、脈沖數(shù)、體積流量以及單流量點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間，數(shù)據(jù)處理后得到儀表系數(shù)和最大示值誤差等指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)估TM80 氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能。

圖2 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)原理圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 研究方法驗(yàn)證

根據(jù)TM80 氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，運(yùn)用SolidWorks 軟件對(duì)各部分零件進(jìn)行組裝建模，將建好的模型導(dǎo)入ANSYS WorkBench 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 采用分塊化方法劃分網(wǎng)格，直管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；由于葉輪和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，并對(duì)其進(jìn)行細(xì)化處理，最后進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖3 所示。 當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為580 萬(wàn)與670 萬(wàn)時(shí)，兩者的壓力損失相差僅為21 Pa，故本文選取580 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行后面的數(shù)值模擬研究。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

為了驗(yàn)證模擬方法和實(shí)驗(yàn)方法的可靠性，本文比較了TM80 氣體渦輪流量計(jì)在13 m3/h~250 m3/h范圍內(nèi)11 個(gè)流量點(diǎn)的壓力損失，這些流量點(diǎn)包含了國(guó)家計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)的4 個(gè)特征流量點(diǎn)，符合實(shí)際的流量檢測(cè)要求。 由圖4 可知:在全量程范圍內(nèi)，流量計(jì)壓力損失的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合，誤差僅在0~6% 范圍內(nèi)波動(dòng)，證實(shí)了所采用的數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法的可靠性和準(zhǔn)確性，為后面流量計(jì)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ)。

3.2 流量計(jì)內(nèi)部特征分析

為了獲得TM80 氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路，首先對(duì)優(yōu)化前流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)在葉輪旋轉(zhuǎn)中心截取水平剖面，得到流場(chǎng)的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)云圖。 本文選取流量點(diǎn)50 m3/h、250 m3/h作為分析對(duì)象，對(duì)流量計(jì)內(nèi)部的流場(chǎng)特征進(jìn)行定量研究。

由圖5(a)可知:當(dāng)流量為50 m3/h 時(shí)，流量計(jì)進(jìn)出口的總壓力損失約為71.4 Pa。 由于受到前整流器和前導(dǎo)流體的阻擋作用，前導(dǎo)流體迎風(fēng)面壓力梯度與流動(dòng)方向相反，邊界層發(fā)生分離現(xiàn)象，造成能量損失。 在表芯支座側(cè)面，壓力從35.7 Pa 急劇減至13.2 Pa；在近壁面處出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致氣流運(yùn)動(dòng)紊亂。 流量計(jì)的出口處出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓區(qū)，最大負(fù)壓值約為-14.5 Pa，此處壓力梯度與流體流動(dòng)方向相反，且等壓線分布混亂，流場(chǎng)壓力分布非常不均勻，大大增加了流動(dòng)的能量損失。

圖5 流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)特征

由圖5(b)可知:流體經(jīng)過(guò)表芯支座時(shí)，流道截面突縮，流體速度從2.95 m/s 迅速增至7.9 m/s。由于表芯支座結(jié)構(gòu)的特殊性，經(jīng)過(guò)的流體無(wú)法以垂直角度沖擊葉輪，使得用葉輪轉(zhuǎn)速計(jì)算得到的流量與實(shí)際流量存在較大偏差，降低了流量計(jì)的精度。流體流出葉輪后，由于后導(dǎo)流體直徑大于葉輪輪轂直徑，流道截面繼續(xù)縮小，氣流速度繼續(xù)增加。 后導(dǎo)流體出口處速度梯度較大，當(dāng)流體有旋運(yùn)動(dòng)與壁面分離時(shí)，出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象和尾跡區(qū)域。 受流體粘性的影響，尾跡中旋渦的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)換成熱能進(jìn)一步耗散，增加了能量損失。

圖5(c，d)表示流量為250 m3/h 時(shí)流量計(jì)內(nèi)部流體的壓力云圖和速度云圖。 隨著流量的增加，流量計(jì)內(nèi)部流體的湍流性質(zhì)更加明顯。 流量計(jì)的壓力損失明顯增加，壓力損失約為1 390.5 Pa。 此時(shí)，表芯支座處的壓力梯度變化更加明顯；后導(dǎo)流體下游區(qū)域的流場(chǎng)更加紊亂，回流現(xiàn)象加劇，尾跡范圍明顯擴(kuò)大。

上述模擬結(jié)果給予我們重要提示:表芯支座和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)對(duì)流量計(jì)性能的影響非常明顯，可以通過(guò)改進(jìn)表芯支座和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)達(dá)到提高流量計(jì)性能的目的。 在表芯支座的優(yōu)化中，可以從減少側(cè)面區(qū)域壓力梯度驟變的角度考慮。 在后導(dǎo)流體的優(yōu)化中，可以從穩(wěn)定流場(chǎng)、減弱回流，縮小負(fù)壓區(qū)和尾跡范圍的方向思考。

3.3 流量計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

基于流量計(jì)流場(chǎng)特征的分析，將原來(lái)的表芯支座和后導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。 首先，表芯支座迎風(fēng)面一側(cè)的直徑從64 mm 縮減至50 mm，如圖6(a-b)所示，運(yùn)用所形成的18.5°坡度來(lái)減緩流體的壓力梯度變化，從而減少流量計(jì)的壓力損失。其次，對(duì)后導(dǎo)流體的直徑進(jìn)行縮減，如圖6(d) ~圖6(e)所示，直徑從原來(lái)的66 mm 減至62 mm，以減小對(duì)流出葉輪流體的阻礙。 最后，運(yùn)用3D 打印技術(shù)，制作優(yōu)化后的表芯支座和后導(dǎo)流體模型成品，如圖6(c)、圖6(f)所示。

3.4 流量計(jì)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性，對(duì)改進(jìn)模型進(jìn)行仿真，從流場(chǎng)的角度分析其優(yōu)化效果。 流量點(diǎn)同樣選取50 m3/h、250 m3/h 作為分析對(duì)象，流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)特征如圖7 所示。 從結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化的模擬結(jié)果可以看出:由于改變了表芯支座的坡度使得氣流更加平緩，其迎風(fēng)面高壓區(qū)減小，側(cè)面的負(fù)壓區(qū)消失，壓力梯度驟變的情況得到緩解；后導(dǎo)流體下游區(qū)域流場(chǎng)紊亂的現(xiàn)象也得到明顯改善，壓力分布變得更均勻；尾跡區(qū)域的面積減小，尾跡耗散引起的能量降低；流量計(jì)出口處的壓力梯度變化更均勻，后導(dǎo)流體的導(dǎo)流效果明顯提升；總壓力損失明顯降低，在50 m3/h 流量點(diǎn)降低了約46.2%，在250 m3/h 流量點(diǎn)降低了約45.8%。

圖7 優(yōu)化后流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)特征

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果，用優(yōu)化后的表芯支座和后導(dǎo)流體成品模型代替原模型中的表芯支座和后導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)，安裝進(jìn)TM80 氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 根據(jù)《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)章》，通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后得到流量計(jì)的壓力損失、儀表系數(shù)、最大示值誤差等性能指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)價(jià)流量計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果及其計(jì)量性能。表1 所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

首先，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計(jì)壓力損失的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。 圖8 表示原模型、優(yōu)化表芯支座模型、優(yōu)化后導(dǎo)流體模型，以及整體優(yōu)化模型的壓力損失隨著流量變化的規(guī)律。 隨著流量的增大，所有流量計(jì)模型的壓力損失均呈明顯增大趨勢(shì)。 兩個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案均對(duì)壓力損失的降低起到了作用，當(dāng)流量為250 m3/h 時(shí)，整體優(yōu)化模型將壓力損失降低至749.8 Pa，降低幅度約42.6%，有效地減少流量計(jì)在使用過(guò)程的能耗，提高了流量計(jì)的性能。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計(jì)壓力損失的對(duì)比情況

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，運(yùn)用式(2)、式(3)，計(jì)算得到了流量計(jì)的儀表系數(shù)K。 圖9 所示為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計(jì)儀表系數(shù)隨著流量的變化規(guī)律。 在小流量情況下(0~50 m3/h)，儀表系數(shù)起伏很明顯，這主要由于流量計(jì)受葉輪慣性力、流體阻力以及機(jī)械阻力等因素的影響而造成；相對(duì)而言，整體優(yōu)化模型的儀表系數(shù)較好。 在大流量情況下(50 m3/h~250 m3/h)，四個(gè)模型的儀表系數(shù)都較為平整；相對(duì)于原模型，三種優(yōu)化模型的儀表系數(shù)都更趨于恒定，這表明優(yōu)化表芯支座和后導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)可以提高流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計(jì)儀表系數(shù)的對(duì)比情況

為了定量表征儀表系數(shù)的穩(wěn)定性，根據(jù)式(4)，本文計(jì)算得到了流量計(jì)的最大示值誤差。 由表1 可知:優(yōu)化后導(dǎo)流體后流量計(jì)的最大示值誤差降至0.242%，降低了約17.7%。 優(yōu)化表芯支座不能明顯降低流量計(jì)的最大示值誤差，其線性度誤差約為0.283%。 在同時(shí)優(yōu)化表芯支座和后導(dǎo)流體的情況下，最大示值誤差明顯減小，降幅約為22.45%。 這表明本文所提出的優(yōu)化方案可以明顯提升流量計(jì)儀表系數(shù)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文采用CFD 數(shù)值模擬方法，研究了TM80 氣體渦輪流量計(jì)內(nèi)部的流場(chǎng)特征，進(jìn)而提出了關(guān)于流量計(jì)表芯支座和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。 基于標(biāo)準(zhǔn)表法實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，比較分析了結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計(jì)的壓力損失、儀表系數(shù)以及線性度誤差等性能指標(biāo)。 研究結(jié)果如下:

①數(shù)值結(jié)果表明:表芯支座側(cè)面的壓力梯度驟變和后導(dǎo)流體尾部的回流和尾流特征是影響TM80氣體渦輪流量計(jì)性能的主要因素。

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)表芯支座和后導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)單獨(dú)優(yōu)化后，TM80 氣體渦輪流量計(jì)的壓力損失分別降低約24.2%和17.8%、最大示值誤差分別降低約17.7%和3.7%。

③對(duì)表芯支座和后導(dǎo)流體整體優(yōu)化后，TM80 氣體渦輪流量計(jì)的性能得到了進(jìn)一步提高，總的壓力損失降低約43.61%，總的最大示值誤差減小約22.45%。