摘要:利用數值計算方法研究了不同安裝條件對渦輪流量計性能的影響。計算結果分析表明,安裝于流量計前的單彎頭、雙彎頭以及閥門等管道配件都會造成流體速度趨于扁平分布和不對稱分布以及產生漩渦流,都是影響流量計計量精度的主要原因。合理布置彎頭和閥門開度的方向,使流體通過兩者時產生的漩渦流旋轉方向相反,則有利于降低流量計進口前漩渦流的強度,減少對流量計測量精度的影響。渦輪流量計的前導流件能有效消除流體速度中的漩渦流分量,但在校正速度分布的不對稱性和扁平性方面效果并不顯著。
1引言
渦輪流量計的測量精度易受到流量計前管線安裝條件的影響。一般管線系統中的各種管配件,包括閥門、彎頭、變徑管等所產生的流體干擾都會引起流體速度分布發生畸變,產生漩渦流和非對稱流等，影響了渦輪流量計的測量精度。安裝條件對渦輪流量計性能的影響早就引起各國學者的廣泛關注,并對此問題進行了較為系統的實驗研究。先后利用實驗研究了渦輪流量計進口前裝有90°彎頭、不在同一平面內的雙彎頭、IS09951推薦的能夠產生高和低流體干擾的管線結構以及閥門]等對渦輪流量計測量精度的影響。
近幾年數值計算方法逐漸應用于渦輪流量計的研究中(8-12],與實驗方法相比,數值計算方法具有成本低、更能提供詳細的三維流場以及能掌握管線結構引起的各種流體干擾的衰減規律等優點。數值計算方法的有效性也逐漸得到了驗證E[8.12].但是迄今為止仍未見文獻報道利用數值計算手段研究安裝條件對渦輪流量計性能的影響。
另一方面,機動油料裝備逐漸向小型化發展,選用計量裝置時通常考慮選用測量精度高、質量輕的流量計，如渦輪流量計。然而渦輪流量計對前后直管段的要求限制了其在機動油料裝備上的使用。為此,本文利用數值計算手段就流量計進口前裝有90°彎頭、不在同-平面內的雙彎頭以及雙彎頭之間有一個半圓形擋板三種安裝條件對流量計內部流場以及測量精度的影響進行研究,為渦輪流量計在機動油料裝備上的應用提供指導。.
2流體速度分布的特征參數
流體干擾影響渦輪流量計測量精度的速度畸變主要體現在三個方面:速度分布的扁平性、漩渦流和速度分布的非對稱性。為了能定量描述流體干擾引起的速度畸變,Mickan定義了軸向動量數K。、漩流數K,和非對稱數K,三個特征參數5)。本文引人這三個參數,以便于后面的分析。
軸向動量數K。用于衡量流體軸向動量通量的轉動力矩的大小,其計算式為:
式中:u為軸向流速,um為平均流速,r為徑向坐標，ρ為流體密度,R為管線半徑,A為管線的橫截面積。對于充分發展流,Ku為定值,約為0.62,而我們所關心的是充分發展流與干擾流之間的差別，故常用反映兩者差別的參量△Ku(其值等于Ku-Ku0),它對渦輪流量計的測量精度具有較大的影響。.
漩流數Kv用于衡量軸向漩渦的強度。由于渦輪流量計的轉速易受漩渦流的影響,因此Kv的大小對其有重要的影響。其計算式為:
式中:v為切向流速。
非對稱數KA用于衡量速度分布對稱性的程度,用管線橫截面上流體質心與對稱軸之間的距離來表示,其計算式為:
式中:y、z分別為管線橫截面上的直角坐標,m為質量流量。
3數值計算模型
3.1基本方程組
描述渦輪流量計內部流場的基本方程組為連續性方程、N-S運動方程和紊流模型。目前還沒有普遍適用的紊流模型,本文選用較常用的標準k-ε雙方程模型。模型方程中相關系數取值分別為:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網格劃分和邊界條件
在數值計算過程中,渦輪流量計的葉輪處于旋轉狀態,故葉輪部分的網格劃分疏密對計算結果的正確率具有重要的影響,在網格劃分時對葉輪表面的網格進行了適當的局部加密處理。前、后導流件部分區域采用六面體網格,其他區域采用四面體網格,葉輪部分全部采用四面體網格,單流量計計算區域內網格總數為97.31萬個,其中葉輪部分的網格總數為67.42萬個。
為了減少在計算過程中因計算域進口與出口位置對渦輪流量計內部流場的影響,本文計算域的進口與出口適當向外作了延伸，上游直管段長度為.5D,下游為10D。進口采用圓管紊流流速分布的1/7律來確定。凡與流體相接觸的所有固體界面上采用無滑移固體璧面條件,出口施加定靜壓。
4數值計算
4.1流量計前的管線結構
文中采用的渦輪流量計結構如圖1所示。流量計的內徑為15mmm,葉輪葉片數為4片,前、后導流件采用橢球形端面。
本文主要分析了Casel~Case5等5種結構，見圖2。
Case1:流量計前是一長為5D的直管段。
Case2:90°的彎頭，其前有一5D長的直管段。考慮到機動油料裝備上流量計的安裝空間非常受限，彎頭與流量計進口之間的距離設為1D。
Case3:不在同一平面內的雙彎頭,兩彎頭之間有一長為0.5D的直管段,進口管段長度和第二個彎頭與流量計進口的距離同Case2。
Case4:在Case3的雙彎頭中間位置上布置了一個1mm厚的半圓薄板，薄板位于雙彎頭的外側位置。
Case5:除了半圓薄板的位置在雙彎頭的內側外,管線結構同Case4。
研究Case4和Case5的管線結構主要目的有兩個:一是研究閥門對流量計測量精度的影響;二是閥門開度與彎頭的相對方向不同時對流量計測量精度的影響。
4.2計算結果與分析
計算參數:流體的進口平均速度um為5m/s,計算介質為20℃的水。
圖3示出了不同條件下渦輪流量計進口處在4個方向上的軸向和切向流速分布。從圖中可以看到,對于Casel這種管線結構,軸向流速符合充分發展流的速度分布,切向流速分量很小。而且在進口橫截面上，根據式(1)~(3)計算得到Ku0等于0.62,Kv和KA分別等于0,因此可作為參考量用于其它管線結構的分析。本文對所有計算結果的分析都以此作為參考進行的。
當流量計前裝有90°彎頭時(Case2)，軸向流速在管線對稱軸上附近表現為最小，然后向管壁兩側增加,呈現了非對稱的馬鞍型分布,且切向流速表現出了二次流現象。
當流量計前的管線結構為不在同一平面內的雙彎頭時(Case3)，軸向流速出現了與Casel相似的非對稱的馬鞍型分布,不過其不對稱程度要比Casel小，但流速更呈扁平分布;切向流速同樣出現了二次流現象,其漩渦強度則要比Casel強得多。
對于兩個彎頭之間有一半圓薄擋板的兩種管線結構Case4和Case5,軸向流速的不對稱分布非常嚴重。除了在θ=90°這個方向上軸向流速呈馬鞍型分布外,在其余三個方向上幾乎是從管璧的一.側向另-側單調遞增的趨勢。不過,兩種管線結構的切向流速則表現出了不同的分布趨勢。當半圓薄板布置在雙彎頭的外側(Case4),流體速度中含有很強的切向流速分布,其最大值幾乎達到了平均流速的60%。當半圓薄板布置在雙彎頭的內側(Case5),切向流速分量要比Case4的小得多,甚至小于Case3。
造成這種差別主要是由于對于Case4,流體通過半圓薄板后產生的漩渦方向和通過彎頭后產生的漩渦方向相同，因此在流量計進口前表現出比Case3更高的切向流速分量,而Case5的情況則反之。由于這個原因,Case4計算得到的渦輪流量計儀表系數與Casel相比,其誤差偏移為-1.79%,而CaseS則僅為-0.23%,見表1。這個計算結果同時說明了在渦輪流量計前合理布置彎頭和閥i]開度之間的相對方向,有助于降低漩渦流的強度，從而減少對流量計量性能的影響。同樣我們研究了流體通過前導流件后在其輪轂末端處軸向流速和切向流速的分布情況,見圖4。
從圖4中可以看到,受導流件輪轂的影響，流道面積減少,軸向流速增加;在θ=90°和θ=0°兩個方向上正對導流件葉片,受其尾流的影響,軸向流速明顯要比其它兩個方向上的軸向流速低。從圖中同時可以看到,流體經過前導流件的導流作用后,切向流速顯著減小,在θ=90°和θ=0°兩個方向上漩渦角的大小基本上能滿足ISO9951規定的小于2°的標準，圖中以虛線表示,在其它兩個方向上切向流速的最大分量也不超過平均流速的20%;但是其軸向流速的不對稱分布和扁平性并沒有得到有效的改善,同樣是Case5的軸向流速的不對稱分布最為顯著。
不同安裝條件下在渦輪流量計進口和前導流件輪轂末端兩個橫截面上Ku、Kv、KA、以及流量計儀表系數誤差偏移的計算值見表1。
從表1中可以看到，造成流量計儀表系數誤差偏移最大的是Case4這種管線結構,達到了-1.79%,這和前述分析相一致。表中的結果同時說明了渦輪流量計中的前導流件消除漩渦流的效率非常高,但是其在改善速度分布的不對稱性和扁平性上的效果并不顯著。因此,認為若將渦輪流量計的前導流件結構進行改進,采用孔板整流器和翼式整流器相結合的組合式結構,這樣既能有效消除漩渦流,又能有效改善速度分布的不對稱性和扁平性,必將顯著改善導流件的整流效果,減少渦輪流量計進口流速分布對測量精度的影響,降低其安裝要求,使其更適合用于機動油料裝備上的計量裝置。
5結論
本文利用數值計算手段研究了流量計前安裝有單彎頭、不在同一平面內的雙彎頭以及雙彎頭之間有一半圓擋板等管線結構對流量計內部流場和測量精度的影響,得到了以下結論:
(1)由管線結構引起的流體干擾造成流體速度分布含有漩渦流分量、軸向速度分布不對稱性和扁平性,使流量計計量產生誤差,本文的算例中最大誤差達到了-1.79%。
(2)彎頭與閥廣1開度之間的相對方向影響流量計的測量精度,若流體通過彎頭和閥門時所產生的漩渦流方向相同，則增加了流量計的計量誤差,反之則減少計量誤差。
(3)流量計中前導流件能有效減少漩渦流強度,但在改善速度分布的不對稱性以及扁平性方面的效果并不明顯。
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