【摘 要】 采用計算流體力學（ＣＦＤ）的方法對一口徑為８０ｍｍ 的氣體渦輪流量計進行工況條件的數值模擬研究．通過計算，分析了流量計在不同流量下，各部件包括前整流器、前導流器、機芯殼體、葉輪支座、葉輪和后導流器對壓力損失的影響，給出了各部件的流量與壓力損失的關系曲線及其壓力損失比例．數值模擬結果與實驗結果相符，進而從流道內的壓力分布和流場分析壓力損失原因并提出減少壓力損失的改進思路．

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ８０ｍｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｕｎｄｅｒｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｆｒｏｎｔｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｔｈｅｆｒｏｎｔｄｅｆｌｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｃｏｒｅｓｈｅｌ，ｔｈｅｉｍｐｅｌｅｒｂｅａｒｉｎｇ，ｔｈｅｉｍｐｅｌｅｒａｎｄｔｈｅｒｅａｒｄｅｆｌｅｃｔｏｒｏｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｒａｔｅｓ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｒａｔｅ，ｔｈｅｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｔｈｅｔｏｔａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ．

  目前，渦輪流量計的優化主要通過改良其導流件、葉輪、軸承、非磁電信號檢出器等部件的結構尺寸和加工工藝，來改善流量計測量氣體、高粘度流體和小流量時的特性．孫立軍［７］對降低渦輪流量傳感 器 粘 度 變 化 敏 感 度 進 行 了 研 究．ＳＵＮ等［８］采用了Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｋ－ε 湍流模型數值模擬口徑為１５ｍｍ 的渦輪流量計的內部流動，結果表明壓力損失受到前端和后端形狀、導流體半徑、導流體的導流片和渦輪葉片厚度的影響．劉正先和徐蓮環［９］雖然對氣體渦輪流量計的流動進行實驗測量和數值計算，發現前導流器的結構變化對后面各部件內的氣體流動速度梯度和壓力恢復也有明顯影響，使總壓力損失進一步放大或減小，但對流量計的其它部件未進行分析．本文將對一種型號氣體渦輪流量計各部件的壓力損失與流量的關系進行分析研究，以提出其優化思路。

１、渦輪流量計的基本結構及工作原理：
  本文 采 用 蒼 南 儀 表 廠 的 ＣＮｉＭ－ＴＭ 系 列８０ｍｍ口徑氣體渦輪流量計作為研究對象，對其進行內部流道的壓力損失數值模擬．氣體渦輪流量計結構示意圖如圖 １．氣體渦輪流量計實物如圖２，其中圖２（ａ）為渦輪流量計實物圖，圖２（ｂ）為渦輪流量計機芯葉輪實物圖．

圖１　氣體渦輪流量計結構圖

圖２　渦輪流量計及葉輪實物圖

  氣體渦輪流量計的原理是，氣體流過流量計推動渦輪葉片旋轉，利用置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體流速成比例的關系，通過測量葉輪轉速來得到流體流速，進而得到管道內的流量值［１０］．渦輪流量計輸出的脈沖頻率ｆ 與所測體積流量ｑｖ成正比，即ｆ＝ｋｑｖ． （１）式（１）中：ｋ—流量計的儀表系數．根據運動定律可以寫出葉輪的運動方程為Ｊｄωｄｔ＝Ｔｒ－Ｔｒｍ－Ｔｒｆ－Ｔｒｅ． （２）５３１式（２）中：Ｊ—葉輪的轉動慣量；ｔ—時間；ω—葉輪的轉 速；Ｔｒ—推 動 力 矩；Ｔｒｍ—機 械 摩 擦 阻 力 矩；Ｔｒｆ—流動阻力矩；Ｔｒｅ—電磁阻力矩。

２、計算模型：
２．１、數學模型設定渦輪流量計 數值模擬的 工 作 介 質 為 空氣．流動處于湍流流動，數值模擬湍流模型采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ　Ｋ－ε 模型，

該模型適用于模擬計算旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流等，其模型方程表示為［１１］：

模型方程表示

ωｋ；Ωｉｊ＝珚Ｒｉｊ －εｉｊｋωｋ；珚Ｒｉｊ＝１２ｕｉｘｊ－ｕｊｘ（ ）ｉ；Ｍｔ＝Ｋａ槡２；Ｃε１＝１．４４；Ｃ２＝１．９；Ｃε３＝０；σＫ＝１．０；σε＝１．２；Ａ０＝４．０４；ρ—流體密度；ｘｉ，ｘｊ—各向坐標；珔ｕｉ，珔ｕｊ—各向流速平均值；ａ—聲速；μ—動力粘性系數；υ—運動粘 性 系數；Ｋ—湍 流 動 能；ε—湍 流耗散率；βＴ—膨脹系數；ωｋ—角速度；珚Ｒｉｊ—時均轉動速率張量；如不考慮浮力影響Ｇｂ＝０，如流動不可壓縮，珚Ｓｋｋ＝０，

ＹＭ＝０。

２．２、流體區域網格劃分使用：
  Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三維設計軟件依照實物尺寸對渦輪流量計各部件進行建模及組裝，簡化主軸、取 壓 孔 和 加 油 孔 等 對 流 體 區 域 影 響 較 小 的部分．

  先對機芯部分做布爾運算得到純流體區域，然后對葉輪外加包絡體形成旋轉區域，在機芯進出口前后均加上１５倍機芯口徑的直管段，以保證進出口流動為充分發展湍流．

  全部流體區域包括前后直管段、葉輪包絡體以及機芯部 分的流體區域．用 Ｇａｍｂｉｔ軟件對三維模型進行網格劃分，對流體區域中的小面和尖角等難以生成網格的部分進行優化和簡化處理，流體區域使用非結構化混合網格，并對機芯流道內葉輪等流動情況較復雜區域進行了局部加密，如圖３．其中圖３（ａ）為機芯流體區域網格圖，圖３（ｂ）為葉輪網格圖，整體網格總數量約２３０萬．

圖３　渦輪流量計流體區域網格圖

２．３、數值模擬仿真條件設置數值計算時，為方便模擬結果與實驗結果的對比，環境溫度、濕度和壓力設置與實驗工況相同，流體介質選擇空氣，

空氣的密度ρ和動力粘度η根據 Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ提出的計算規程擬合推導出的簡化公式（５）和（６）計算獲得［１２］：ρ＝２．０３２×１０－１－７．１３７×１０－４　Ｔ＋２．２８１×１０－５　Ｐ－３．７２８×１０－８　ＴＰ； （５）η＝４．１０３×１０－６＋４．５８７×１０－８　Ｔ－４．９４４×１０－１０　Ｈ． （６）式（５）（６）中：Ｔ—溫度；Ｐ—壓力；Ｈ—濕度．求解器采用分離、隱式、穩態計算方法，湍流

  模型選擇 Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ　ｋ－ε 湍流模型，壓力插值選擇Ｂｏｄｙ　ｆｏｒｃｅ　ｗｅｉｇｈｔｅｄ格式，湍流動能、湍流耗散項和動量方程均采用二階迎風格式離散，壓力與速度的耦合采用 ＳＩＭＰＬＥＣ 算法求解，其余設置均采用 Ｆｌｕｅｎｔ默認值．

圖４　流量與壓力損失曲線圖

圖５　流量計軸向剖面靜壓分布圖

圖６　流量計軸向剖面流線圖

圖７　流量計軸向剖面和出口橫截面總壓分布圖

圖８　流量計軸向剖面和出口橫截面速度分布圖

圖９　各部件的流量與壓力損失曲線圖  圖１０　各部件壓力損失百分比圖