摘要：針對旋進旋渦流量計的精確測量，使用CFD數(shù)值模擬軟件，以DN20口徑的旋進旋渦流量計作為研究對象，得到了類似于鈍體渦街旋渦脫落的現(xiàn)象，并對仿真的可行性進行了深入分析，驗證了仿真工作的可靠性.分析比較低流量下不同取壓點的壓差，得到內(nèi)流場壓差變化規(guī)律，確定了DN20流體域的最佳取壓點.將壓電傳感器置于最佳取壓點后，使用音速噴嘴裝置進行試驗.將試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定的誤差.分析其中原因，以小口徑殼體內(nèi)壓電傳感器自身體積較大為切入點，去除流體域內(nèi)壓電傳感器體積，將去除壓電傳感器體積前后的流體域進行仿真，對結(jié)果比較分析，發(fā)現(xiàn)去除壓電傳感器體積后的流體域仿真得到的K值系數(shù)與試驗值誤差較小，說明壓電傳感器體積對內(nèi)流場有一定影響，并且壓電傳感器的探針放置于流量計中會一定程度地增加旋進旋渦流量計的壓力損失.

關(guān)鍵詞：旋進旋渦流量計；數(shù)值模擬；壓電傳感器；壓力損失；取壓點

中圖分類號：S277.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-8530（2024）09-0895-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0188

沈春根，金昆，朱云明，等.基于CFD的傳感器體積對旋進旋渦流量計的影響[J].排灌機械工程學(xué)報，2024，42（9）：895-899.

SHEN Chungen，JIN Kun，ZHU Yunming，et al.Influence of sensor volume on vortex precession flowmeter based on CFD[J].Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（9）：895-899.（in Chinese）

Influence of sensor volume on vortex precession flowmeter based on CFD

SHEN Chungen， JIN Kun^*， ZHU Yunming， HU Zunhao， GUO Erkuo

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： For precise measurement of the swirling vortex flowmeter， CFD numerical simulation with a DN20 caliber was utilized as the focus. Simulation revealed a phenomenon similar to the detachment of a blunt body vortex street， confirming the reliability of simulation work. Analyzing pressure differences at various tapping points under low-flow conditions， the optimal tapping point within the DN20 fluid domain was identified. Placing a piezoelectric sensor at this optimal point， experiments were conducted using a sonic nozzle device. Comparison of experimental and simulation data showed a discrepancy. To understand this， the piezoelectric sensor large volume within the small-caliber shell was focused on. Simulating the fluid domain before and after removing the sensor′s volume， the K-value coefficient with smaller error after removal was found， indicating the sensor volume affecting the internal flow field. Additionally， placing the sensor probe within the flowmeter increased its pressure loss.

Key words： precession vortex flowmeter;numerical simulation;piezoelectric sensor；pressure loss；pressure measuring point

旋進旋渦流量計是一種振蕩式流體流量計，適用于石油、蒸汽、天然氣、水等多種介質(zhì)的流量測量.旋進旋渦流量計內(nèi)部無機械活動件，并且結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、耐腐蝕性好和應(yīng)用范圍廣.但是在實際應(yīng)用中，旋進旋渦流量計還存在著壓力損失較大的問題，而且振蕩頻率信號易被外界振動源干擾，國內(nèi)外學(xué)者針對旋進旋渦流量計在實際使用過程中遇到的各種問題進行了分析研究. CUI等^[1]對不同旋流器的螺旋角在氣固兩相中的計量特性進行了試驗研究；CHEN等^[2-3]研究了旋流儀內(nèi)部的流動特性以及后錐角對流量計性能的影響，并且通過CFD軟件對不同起旋器進行了數(shù)值特性分析；LIU等^[4]通過試驗研究了渦流流量計上游直管過渡段長度對渦流流入特性的影響，并詳細分析了速度和壓力在某一時間段內(nèi)的時間平均分布^[5]；PIROU-ZPANAH等^[6]利用多孔板流量計與旋進旋渦流量計的耦合來測多相流，建立了適當關(guān)系；劉春哲等^[7]采用定常-非定常的數(shù)值求解方法，準確獲得了低壓區(qū)壓力脈動頻率特性；宋禹杭^[8]對旋進旋渦流量計在使用時的各種常見故障的原因進行了分析并探討了所對應(yīng)的解決方法.

旋進旋渦流量計的相關(guān)研究是計算流體力學(xué)CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，文中使用CFD仿真與試驗驗證相結(jié)合的方法，對壓電傳感器的體積對旋進旋渦流量計的影響進行研究.

1 旋進旋渦流量計的工作原理

旋進旋渦流量計主要由起旋器（旋渦發(fā)生器）、文丘里管（殼體）、消旋器（整流器）以及壓電傳感器組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.

當流體介質(zhì)從入口流過旋進旋渦流量計起旋器時形成旋渦流，殼體的收縮段對旋渦流加速并使得其在喉部段時旋渦強度加強，旋渦流流經(jīng)擴張段時流體流速降低，在壓力的作用下產(chǎn)生回流，形成類似于鈍體渦街旋渦脫落的現(xiàn)象，并在回流作用下旋渦流的“渦核”繞軸線做螺旋進動，進動的頻率與流體的速度成正比.因此，測得旋進旋渦的進動頻率就可知流體流量，并在流量測量范圍內(nèi)有良好的線性度.

流場內(nèi)壓力變化頻率f與入口處體積流量Q有以下關(guān)系，即

K=f/Q，（1）

式中：K為旋進旋渦流量計的儀表系數(shù)，由試驗進行標定，在出廠前由生產(chǎn)者給出.

2 流場模型的建立與參數(shù)設(shè)置

2.1 仿真數(shù)模的準備與網(wǎng)格劃分

使用NX12.0先對總長100 mm的DN20旋進旋渦流量計^[9]（直徑為20 mm的旋進旋渦流量計）進行三維建模，然后通過相關(guān)命令抽取出DN20的內(nèi)部流體域.為了減輕數(shù)值計算帶來的入口效應(yīng)以及提高流體通過流量計的流體穩(wěn)定性，在DN20旋進旋渦流量計的入口處延伸2倍入口直徑的長度，在出口處延伸2倍出口直徑的長度.

對流場流體域進行網(wǎng)格劃分，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的起旋器流體域進行網(wǎng)格局部加密，最終形成的網(wǎng)格劃分效果如圖2所示.對該模型網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，在網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上進行20%的網(wǎng)格加密并進行對比.發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)格加密前后，脈動頻率的誤差率都低于5%，可以認為這樣的網(wǎng)格劃分是有效的.

2.2 軟件仿真參數(shù)的設(shè)置

利用Mesh軟件將網(wǎng)格模型建立之后，將網(wǎng)格模型文件導(dǎo)入CFX軟件中進行仿真計算.CFX軟件進行仿真模擬的步驟如下：先對某一速度下的流體域進行穩(wěn)態(tài)仿真計算，然后在穩(wěn)態(tài)仿真計算的基礎(chǔ)上對同一速度下的流體域進行瞬態(tài)仿真計算.相關(guān)仿真參數(shù)如下：

1） 湍流模型：選用RNG k－ε湍流模型^[10]，標準的k－ε湍流模型用于強旋流或帶有彎曲壁面的流動會出現(xiàn)一定情況的失真.

2） 介質(zhì)屬性：25 ℃下的空氣.

3） 邊界條件：① 進口邊界采用速度進口，根據(jù)流體介質(zhì)速度決定；

② 出口邊界采用壓力出口，參考壓力設(shè)為0；

③ 壁面函數(shù)為除了出入口，其余壁面均采用無滑移壁.

4） 時間步長：根據(jù)流量范圍內(nèi)流量大小和已知的DN20旋進旋渦流量計的K值系數(shù)預(yù)估不同流量下的脈動周期，取1/10周期長度為時間步長.

3 最佳取壓點的選擇

選取流體經(jīng)過起旋器后部的喉部直管段與擴張段的軸向平面上的點的數(shù)據(jù)，最終確定最佳取壓點.選點的原則如下：從喉部入口處橫向以0.25D為間距，縱向以0.10D為間距進行選點，最終共生成如圖3所示的28個取壓點.

為了在低流量下獲得更好的信號強度，選取2個流量值對旋進旋渦流量計的內(nèi)流場進行仿真分析，將得到的數(shù)據(jù)整理繪制成如圖4所示，圖中d為距流量計入口距離.最終確定在不同流量下，壓差Δp最大的位置為豎直方向上，距離流量計中軸線3 mm；水平方向上，距離流量計入口65 mm，位于喉部末端^[11].

4 壓電傳感器體積對流場的影響

4.1 試驗誤差分析

使用負壓臨界法音速噴嘴裝置對DN20旋進旋渦流量計在不同流量點下的頻率和K值系數(shù)進行標定試驗.試驗中，通過將壓電傳感器測量用的探針放置于流量計殼體中，通過探針測得的壓力變化轉(zhuǎn)化為電信號得到壓力脈動頻率.

通過對DN20測量范圍內(nèi)不同流量點進行試驗，并記錄如表1所示不同流量點下該口徑流量計的K值系數(shù)，對仿真計算所得的結(jié)果K_s與試驗結(jié)果K_e進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者之間誤差σ較大.試驗測得平均K值較原模型有所提高，K值系數(shù)^[12]穩(wěn)定，重復(fù)性合格.整個試驗數(shù)值與仿真數(shù)值相比存在一定誤差.

針對DN20流量計仿真分析與試驗數(shù)值相差較大等問題，考慮到是仿真測量位置選擇的問題，即壓電傳感器體積對內(nèi)流場的影響.在實物模型中因傳感器體積相對小口徑流量計內(nèi)流場較大，測量的是某一截面位置，流場受干擾較為明顯.而仿真中則忽略傳感器實物模型，僅考慮理想狀態(tài)下某一點的脈動頻率，即不考慮傳感器影響下得到的脈動頻率.除了考慮傳感器體積影響外，氣動管道系統(tǒng)的振動也是原因之一^[13].另外除了由脈動效應(yīng)引發(fā)的固有頻率外，還有測試裝置引起的激發(fā)頻率及管道機械的固有頻率等.文中針對壓電傳感器的圓柱桿型探頭體積對流場的影響進行分析比較，探究放置壓電傳感器前后流場的變化情況.

4.2 壓電傳感器體積對流場的影響

在實際計量中，流量計內(nèi)部流體的變化情況受多方面因素影響.現(xiàn)研究傳感器體積對其的影響，對DN20三維流場進行重新繪制，并且就其已經(jīng)仿真過的多組流量進行對比分析，找出仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)之間誤差較大的原因，從而提出解決方案.

在實際工作中，壓電傳感器的探針體積是不可忽略的.先將流體域模型進行修改，將放置在最佳取壓點的8 mm探針從流體域中去除，得到前后流體域?qū)Ρ热鐖D5所示.

對DN20旋進旋渦流量計實際流體域仿真流場結(jié)果進行分析，得到旋進旋渦流量計的橫縱截面壓力隨著時間變換云圖如圖6所示.在云圖中，冷色區(qū)域是旋渦流所在的高壓區(qū)，暖色區(qū)域是低壓區(qū).由橫截面圖可知，冷色氣壓區(qū)繞著DN20的中軸線做圓周運動，當渦核運動到探針區(qū)域時，渦核逐漸消失.在縱截面壓力變化云圖中，冷色區(qū)域是經(jīng)過起旋器后形成并不斷擺動，并且擺動的幅度在喉部末端與擴張段交界處最大.旋渦在經(jīng)過消旋器之后消失，壓力趨于穩(wěn)定^[14].

為了進一步研究兩者之間的區(qū)別，通過得到取壓點的壓力脈動頻率和實際狀態(tài)下的流體域的K值系數(shù)，兩者之間的K值系數(shù)對比如表2所示，表中K₁，K₂分別為插入探針前后的系數(shù).由于壓電傳感器自身探針體積的影響，實際狀態(tài)下的低壓區(qū)雖然依然繞著中軸線做圓周運動，但是它的運動半徑要小于理想狀態(tài)下的“渦核”運動半徑.由于入口流量是固定的，繼而入口速度一定，流體介質(zhì)形成的低壓區(qū)“渦核”轉(zhuǎn)動半徑越小，渦核繞中軸線轉(zhuǎn)動一周的周期越短，那么壓電傳感器測得的脈動頻率就越大，根據(jù)公式可知K值系數(shù)也會隨著f的提高相應(yīng)變大.

5 結(jié)論與展望

1） 壓電傳感器體積對旋進旋渦流量計內(nèi)部流場具有一定的影響，仿真時應(yīng)該考慮到壓電傳感器的體積.

2） 放置壓電傳感器后，旋進旋渦流量計的K值系數(shù)會比未放置傳感器有所提高，所得K值更接近試驗值，測量準確度更高.

3） 由于探針自身體積的影響，取壓點所在截面旋渦流的“渦核”繞軸線做螺旋進動的半徑減小，壓電傳感器測得的脈動頻率就越大，從而提高K值系數(shù).

針對文中的進一步研究可以在以下部分展開：

1） 使用不同口徑的流量計、更改流體介質(zhì)，驗證傳感器體積對旋進旋渦流量計影響的一般性規(guī)律.

2） 選擇不同壓電傳感器，分析不同體積的壓電傳感器探針在同一取壓點對旋進旋渦流量計的影響.

參考文獻（References）

[1]CUI Baoling， ZHANG Chenliang， ZHANG Yuliang. Experimental and numerical studies on metrological characteristics of swirlmeters with different swirler helix angles in a gas-solid two-phase flow[J]. Flow measurement and instrumentation， 2020， 74：101779.

[2]CHEN D S， CUI B L，ZHU Z C. Internal flow characte-ristics and AFt-cone angle on performance of swirlmeter[J]. Journal of Metrology Society of India， 2016， 31（2）： 107-113.

[3]CHEN Desheng， LIN Zhe， LIU Qi， et al. Numerical investigation and characteristic analysis of the swirl meter with different swirlers[J]. Measurement and control， 2020， 53（7/8）： 1122-1130.

[4]LIU Qi， YE Jiahui， ZHANG Guang， et al. Metrological performance investigation of swirl flowmeter affected by vortex inflow[J]. Journal of mechanical science and technology， 2019， 33（6）： 2671-2680.

[5]LIU Qi，LIN Zhe. Numerical study on the flow characte-ristics in swirl meter[J]. Measurement and control， 2019， 52（3/4）： 183-192.

[6]PIROUZPANAH S， ?EVIK M， MORRISON G L. Multiphase flow measurements using coupled slotted orifice plate and swirl flow meter[J]. Flow measurement and instrumentation， 2014， 40：157-161.

[7]劉春哲，張濤，田輝，等. 旋進旋渦流量計旋渦進動效應(yīng)的數(shù)值研究[J]. 機床與液壓， 2020， 48（10）： 185-188.

LIU Chunzhe， ZHANG Tao， TIAN Hui， et al. Numeri-cal study on vortex precession effect of precessing vortex flowmeter[J]. Machine tool and hydraulics， 2020，48（10）：185-188.（in Chinese）

[8]宋禹杭. 旋進旋渦流量計常見故障[J].中國設(shè)備工程， 2020（20）： 170-171.

SONG Yuhang. Common faults of precession vortex flowmeter[J]. China plant engineering， 2020（20）：170-171.（in Chinese）

[9]何龍，劉建兵，徐峰. 小口徑旋進旋渦流量計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 儀器儀表用戶， 2020， 27（9）： 1-5.

HE Long， LIU Jianbing， XU Feng. Structural optimization of small diameter precession vortex flowmeter[J]. Users of instrument and meter， 2020， 27（9）： 1-5.（in Chinese）

[10]李存程，殷鳴，宋儼軒. 不同湍流模型對跨音速軸流壓氣機數(shù)值模擬適應(yīng)性研究[J]. 汽輪機技術(shù)， 2021， 63（5）： 321-324.

LI Cuncheng， YIN Ming， SONG Yanxuan.Study on the adaptability of turbulence model to numerical simulation of transonic axial compressor[J].Turbine technology，2021，63（5）：321-324.（in Chinese）

[11]沈春根，封士政，朱云明，等.基于CFX的旋進旋渦流量計取壓位置的數(shù)值模擬[J].排灌機械工程學(xué)報，2023，41（5）：487-492.

SHEN Chungen， FENG Shizheng， ZHU Yunming， et al. Numerical simulation of pressure tapping location of precession vortex flowmeter based on CFX[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering， 2023， 41（5）： 487-492.（in Chinese）

[12]丁凌. 流量計K系數(shù)測量不確定度評定[J]. 流體測量與控制， 2021（4）： 51-55.

DING Ling. Evaluation of measurement uncertainty of K-factor of flowmeter[J]. Fluid measurement and control，2021 （4）：51-55.（in Chinese）

[13]彭杰綱，傅新，陳鷹. 脈動流場中旋進旋渦流量計流體振動特性的實驗研究[J]. 計量學(xué)報， 2004， 25（1）： 38-42.

PENG Jiegang， FU Xin， CHEN Ying.An experimental study of the dynamic characteristics of swirlmeter in oscillatory flow[J]. Acta metrologica sinica，2004，25（1）：38-42.（in Chinese）

[14]彭杰綱，傅新，陳鷹. 旋進旋渦流量計旋渦進動效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[J]. 中國機械工程， 2005， 16（5）： 402-406.

PENG Jiegang， FU Xin， CHEN Ying. Numerical simulation study on vortex precession in swirlmeter[J]. China mechanical engineering，2005，16（5）： 402-406.（in Chinese）

（責任編輯 談國鵬）