對氣體渦輪流量計中旋渦發生體的結構進行了如下改進:將旋渦發生體的葉片與主軸的夾角由原來的60°減小到45°,將葉片由六片增加到七片。利用FLUENT數值仿真軟件對改進后的氣體渦輪流量計做了數值仿真計算,對改進方案進行了驗證,最后在實驗裝置上進行了試驗。仿真結果與試驗結果均表明,改進后的氣體渦輪流量計壓力損失有了較大幅度的減小,并且在保證壓力損失較小的同時其測量下限也有所降低,克服了氣體渦輪流量計應用中的一個不足。

  目前利用流體振動原理設計的旋渦型流體振動流量計有兩種,即渦街流量計和氣體渦輪流量計。渦街流量計現在已經得到了較為廣泛的應用,而氣體渦輪流量計由于存在壓力損失較大這一缺點導致其應用受到了限制。但氣體渦輪流量計自身的一些特點是渦街流量計所不具備的,例如測量下限較低,所需直管段短,測量精度較高。本文利用FLUENT軟件對氣體渦輪流量計進行了數值仿真研究,提出了改進措施,在保證較大量程比的同時降低了氣體渦輪流量計的壓力損失,從而解決了困擾氣體渦輪流量計推廣的一個難題。

　　2　氣體渦輪流量計的工作原理[1,2]

　　固定的旋渦發生體使軸向流動的流體在進入喉部之前附加了一個切向的速度,這樣就產生了連續的旋渦系列而構成了一個旋渦流,稱之為“渦勢”,其中心為旋渦核,外圍為環流。流體流經文丘里管的收縮段時渦流加速,此時渦核直徑沿旋轉方向逐漸縮小,而旋渦強度不斷加強。到達擴張管段時,由于旋渦急劇減速,壓力上升,旋渦中心區的壓力比周圍底,于是產生了回流。在回流的作用下,旋渦偏離了原來的前進方向,迫使像剛體一樣旋轉的渦核在擴張管段做類似陀螺的進動,旋渦流的進動是貼近擴張管段的壁面進行并形成旋進旋渦的,進動頻率與流體的流速成正比,因此,測得旋進旋渦的頻率即能反映流速和體積流量的大小。旋進旋渦的頻率范圍一般在10~1 500Hz,與流體流量Q有如下比例關系:

　　3　改進方案 

　　目前影響氣體渦輪流量計推廣的關鍵一點是因為它在使用中的壓力損失(簡稱壓損)過大,而旋渦發生體是造成這一問題的主要原因。旋渦發生體的模型如圖2所示。

　　式中:ρ———流體的密度;D1、D2———文丘里管收縮段、擴張段起始位置的截面直徑;α———旋渦發生體的葉片與主軸夾角。

　　由式(2)可以看出壓損的大小與旋渦發生體的參數α有直接關系,將α減小可以降低壓損值,因此本文提出通過改變旋渦發生體的導程,將α由原來的60°減小為45°以便達到降低壓損的目的。但α減小會造成旋渦強度降低,影響壓力傳感器的檢測效果,所以在減小α的同時本文將旋渦發生體的葉片數由傳統的六片改為七片以增加旋渦的強度,使測量靈敏度有所提高。

　　4　數值仿真

　　4.1　FLUENT簡介

　　FLUENT是一個用于模擬和分析在復雜幾何區域內的流體流動與熱交換問題的專用CFD軟件。FLUENT提供了靈活的網格特性,用戶可方便地使用結構網格和非結構網格對各種復雜區域進行網格劃分。由于采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術,因而FLUENT能達到最佳的收斂精度。靈活的非結構網格和基于求解精度的自適應網格及成熟的物理模型,使FLUENT在層流和湍流、傳熱、化學反應和多相流領域取得了顯著成效。近些年來,FLUENT已經應用到流量計的研究中來,利用FLU2ENT數值仿真指導流量計的設計與優化已經成為研　　究流量儀表的一種很好的方法[4]。

　　4.2　建立幾何模型

　　在應用FLUENT進行數值仿真之前,必須建立物體的幾何模型,并將其進行網格劃分。GAMBIT是目前面對FLUENT最理想的構造網格模型的前置處理軟件,本文利用GAMBIT對傳統的和改進后的氣體渦輪流量計分別進行了網格模型構建,這樣就可以通過比較仿真結果來驗證改進方案是否起到了優化氣體渦輪流量計的目的。

　　4.3　數值仿真計算

　　利用GAMBIT將網格模型建立好以后,將模型文件導入FLUENT軟件中進行仿真計算,管道的直徑D =50mm。計算流程和輸入參數說明如下:啟動FLUENT仿真軟件時選用3d解算器;選擇迭代算法;物質屬性和邊界條件分別為:空氣,密度1. 204m3/kg,入口流量值、出口出流;計算區域初始化:入口的參考壓力選為0。開始進行計算。

　　在計算時流速范圍選擇的是10~110m3/h,每隔10m3/h取一個流速點進行計算。采用傳統的旋渦發生體建立的模型進行計算,并且用TECPLOT對數據進行處理,結果如圖3所示。

　　從圖3(a)可以看出旋渦脈動的頻率與流量之間符合線性關系Q =f/5.641 (線性擬合后可得出相關系數為0.999 81,測量范圍10~110m3/h)。通過圖3(b)的結果可以看出壓損與流量之間的關系近似為二次曲線,其方程為:

　　采用改進的旋渦發生體的網格模型計算結果如圖4所示。

　　通過TECPLOT對數據結果處理以后,從圖中可以看出改進后的方案旋渦脈動頻率與流量之間符合關系式Q =f/4.565,此時下限達到Q =5m3/h。壓力與流量的關系近似為二次曲線,其方程為:

　　5　實驗結果及分析

　　將傳統的與改進后的氣體渦輪流量計,在某氣體實驗裝置上進行了實驗。試驗管道的口徑D =50mm,管道里的流體為空氣,壓力為負壓,因此壓力損失為大氣壓減去氣體出口壓力,其中大氣壓為101. 325 kPa。試驗結果如表1、表2、表3、表4所示。由表1、2的實驗結果可以得到改進前儀表系數為:

　　通過對實驗數據的分析可以看出,改進后的氣體渦輪流量計壓損值有了較大幅度的減小,平均壓損系數降低了34%,說明改進后的流量計的性能的確有所提高,雖然與仿真結果有一定的差距,但下降趨勢是相同的。

　　通過FLUENT數值仿真結果,以及實驗數據可以看出改進后的氣體渦輪流量計的性能得到改善,降低了流量計的壓力損失,克服了壓損大的缺點,這對氣體渦輪流量計的應用具有較大意義。