氣體渦輪流量計簡介與優化評價指標 發布時間：2016-12-26
1 引 言 氣體渦輪流量計是一種速度式流量計，具有重復性好、量程范圍寬、適應性強、輸出脈沖信號等特點，近年來已在石油、化工和天然氣等領域獲得了廣泛應用。流量計的性能對工業發展有著極為關鍵的作用，因此，通過優化流量計結構來提高其計量性能，一直是流量測量領域的研究熱點問題。 通過優化渦輪流量計的表體結構，擴大了流量計的測量范圍。Svedin［3］研制了靜態葉輪渦輪流量計，降低了流量計的壓損。葉輪的多參數定量優化方法，針對 15 mm口徑的傳感器確定了一組能夠實現黏度不敏感的幾何參數。郭素娜等［5］研究了葉輪參數對渦輪傳感器性能的影響，確定了葉片切角參數為 0． 25 時傳感器性能最佳。 前人的工作主要集中在對葉輪部分的優化，對其它結構的研究相對較少。前導流器作為渦輪流量計的主要組件之一，具有整形流場、壓縮流體、導向流動、創造充分發展的速度分布的作用。整流效果直接影響流量計的品質優劣。因此，前導流器的結構優化對于提高渦輪流量計性能具有重要意義。 CFD 數值模擬已經成為預測傳感器性能［6-7］、研究渦輪流量計內部流場信息［8-9］的有效方法。本研究以氣體渦輪流量計前流器為優化對象，通過Fluent 軟件對不同前導流器結構的渦輪流量計內部流場進行仿真分析，引入了流場均勻性指數來評價前導流器的整流效果，給出了針對前導流器部件的優化建議，并且通過實驗驗證了優化方案。 2 渦輪流量計簡介及優化評價指標 2．1 結構及特征參數 氣體渦輪流量計的主要組件包括前導流器、葉輪、后導流件等，其結構簡圖如圖 1 所示。 前導流器的主要特征參數有: 導流器直徑、導流體長度、導流器葉片數目、導流葉片長度。 2.2 工作原理 氣體渦輪流量計的工作原理: 氣體流過流量計推動渦輪葉片旋轉，葉片轉速與流體流速成正比，通過測量轉速來得到流速，進而得到管道內的流量值。待測體積流量 qv與輸出脈沖頻率 f 的關系式為: 式中: K 指流量計的儀表系數。 根據運動定律建立渦輪的運動方程為 式中: J 為渦輪的轉動慣量; ω 為渦輪的旋轉角速度，t 為時間，Tr為氣流對葉片的推動力矩，Trm為機械摩擦力矩，Trf為流動阻力矩，Tre為電磁阻力矩。 2.3 優化評價指標 本文選取數值模擬過程中的定性指標和實驗測得的定量指標作為優化評價指標，從仿真與實驗兩方面綜合評價優化結果。 2．3．1 流場均勻性指數 氣體渦輪流量計作為速度式流量計，是在氣流入口處接近平均速度輪廓的條件下設計和標定的［10］。要想達到準確計量的目的，應當使葉輪處氣流的速度場盡量均勻。當氣體來流的速度場紊亂時，氣流對渦輪葉片的推動力矩 Tr隨之紊亂，導致葉片發生震顫，計量性能變差，嚴重時造成葉片與輪軸間磨損失效。而前導流器的作用就是整形流場，使氣體流速均勻，故引入流場均勻性指數作為優化評價指標。 均勻性指數 γ［11］描述了指定表面上指定物理量的變化情況，γ 取［0，1］，γ 越大表示均勻性越好。均勻性指數采用面積進行衡量: 面積加權均勻性指數 γα。 面積加權均勻性指數( γα) ，利用下式進行計算: 從均勻性指數的定義可以看出，當指定物理量為速度時，γα表示流場速度分布均勻性。面積加權均勻性指數在數值模擬中均可由程序自身提供，這樣大大提高了計算的便捷性。因此，在數值模擬中用 γα評價截面的流動均勻性具有明顯的優勢。 2．3．2 計量性能指標 基于氣體渦輪流量計的工作原理，依據渦輪流量計的檢定規程［12］，確定了渦輪流量計的計量性能指標: 儀表系數、線性度、重復性以及壓力損失。1) 儀表系數 K，依據規程按下式計算: 式中: ( Ki)max、( Ki)min分別指在整個流量范圍內，各流量點儀表系數的最大值和最小值。 2) 重復性 Er，依據規程按下式計算： 式中: ( Er)i為第 i 個流量點的重復性誤差; Eij為第i 個流量點第 j 次測量的相對示值誤差，% ; Ei為第i 個流量點的平均相對示值誤差，% 。 重復性是評價儀器穩定的重要指標，重復性越高說明流量計穩定性越好。 3) 線性度 δ，依據規程按下式計算: 4) 壓力損失 Δp，依據規程規定為流量計入口上游 1DN 和出口下游 1DN 的兩點間的壓力差值。較小的壓力損失可減少輸運氣體的能量消耗，降低運輸成本。所以將壓損作為優化評價的一個重要指標。
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