摘要：利用數(shù)值計算的方法對渦輪流量計內(nèi)的三維湍流流動進行建模和基于N-S方程的仿真分析。數(shù)值計算采用k-ε 模型來模擬湍流流動，得到渦輪流量計的內(nèi)部流場三維流動形態(tài)，并分析其內(nèi)部的流動規(guī)律、流速和壓力分布；以三維湍流仿真的仿真結(jié)果為依據(jù)，對前導(dǎo)流器進行了優(yōu)化。結(jié)果表明：流線型前導(dǎo)流器能降低整個流量計的壓損。
  渦輪流量計是速度式流量計的一種，其測量準確度高，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好，量程范圍寬，量程比可達（10～20）：1，線性好，耐高壓，壓力高，壓力損失小，對流量變化反應(yīng)迅速，因此它被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、工業(yè)鍋爐、燃氣調(diào)壓站、輸配線管網(wǎng)天然氣、城市天然氣管網(wǎng)等領(lǐng)域，并已被廣泛應(yīng)用于貿(mào)易計算。氣體渦輪流量計的氣體流動是極其復(fù)雜且非穩(wěn)態(tài)的，若通過單純的經(jīng)驗公式理論分析與流量計性能試驗研究的常規(guī)方法確定其設(shè)計參數(shù)，難以得到理想的效果。流量計內(nèi)部流場的流動狀況直接決定流量計的性能，因此了解渦輪流量計內(nèi)部流場可以改良和研制高性能渦輪流量計產(chǎn)品。國外很早就進行了仿真研究，國內(nèi)也進行了理論和實驗研究。通過CFD仿真研究了切線型渦輪流量計；利用數(shù)值模擬研究液體粘度對渦輪流量計的影響，利用Fluent對渦輪流量計的流場進行模擬，分析獲得壓力場和速度場，全面了解流量計的流場情況，得出指導(dǎo)性和方向性的結(jié)果，可以幫助選擇性能***佳的方案。本文通過Fluent模擬氣體渦輪流量計的內(nèi)部流動，分析其內(nèi)部的流動現(xiàn)象，獲得流量計內(nèi)部的速度場和壓力場，并對前導(dǎo)向器進行優(yōu)化。

1、渦輪流量計的原理：
  渦輪流量計主要由殼體、前后導(dǎo)流器、葉輪組件、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器等組成，其原理如圖1所示。當被測流體通過流量計時，流體通過導(dǎo)流器沖擊渦輪葉片，由于渦輪葉片與流體流向間有一傾角θ，流體沖擊力對渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，使渦輪克服機械摩擦阻力矩和流動阻力矩而轉(zhuǎn)動；在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，渦輪的旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速與通過渦輪的流量成正比；渦輪轉(zhuǎn)動時，使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化而產(chǎn)生與流量成正比的脈沖信號。

2、計算方法與模型選擇簡化：
2.1仿真模型建立與網(wǎng)格劃分：
  根據(jù)實際情況，本文選擇普通的DN150氣體渦輪流量計為研究對象。為了消除渦輪流量計入口的脈動流，在流量計的入口加了0.5倍長度的直管段，出口也加了1倍長度的直管段。按照仿真模型的結(jié)構(gòu)特點，采用分塊建模的方法，將模型域分為前導(dǎo)流件、葉輪、支架、后導(dǎo)流件及前后直管段等6部分。流量計參數(shù)如表1所示。

  根據(jù)計算域的復(fù)雜程度，前、后導(dǎo)流件及葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為370 000。支架及前后直管段采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，以節(jié)約計算資源，網(wǎng)格數(shù)為350 000。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2、湍流模型的選擇與簡化：
本研究基于的控制方程為粘性、不可壓縮的N-S方程。
連續(xù)性方程為：

  湍流模型采用Reynolds Stress模型不收斂，采用Spalart-Allmaras精度不夠，故湍流模型采用標準的k-ε
模型進行仿真。連續(xù)性條件通過壓力修正得到滿足。方程的求解方法采用SIMPLE算法，方程離散過程中采用二階迎風(fēng)格式離散。
針對氣體渦輪流量計的流動特點，對模型做如下簡化：由于本文入口邊界為速度入口且入口速度都小于50m/s，速度的變化對氣體的密度影響很小，因此假定為不可壓縮流動；將葉輪旋轉(zhuǎn)部分設(shè)定為相對旋轉(zhuǎn)坐標系后，流動為定常。仿真過程邊界條件選擇如下。
入口邊界條件：雖不知道壓力條件但能容易得到入口速度，故選擇速度入口為：

  式中：r為管道半徑；qv為不同流量點的流量；u為對應(yīng)流量點的管道平均流量。給定流量點500m3/h，入口速度為7.86m/s。
出口邊界條件：自由出流，其他邊界均為壁面。采用Fluent中的MRF（多參考系）模型，給定葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度進行計算。數(shù)值仿真的介質(zhì)為室溫下的空氣。
3、仿真結(jié)果及分析：
3.1速度場分析:
（1）速度場沿軸線的分布中心線剖面速度分布如圖3所示。

  由圖3可以看到，渦輪流量計內(nèi)部的速度場近似于中心軸線上下對稱，前導(dǎo)流器圓弧型端部中間部分速度明顯減小，靠近管壁速度增大。氣體進入前導(dǎo)流器后，由于球面中間部分的阻擋，導(dǎo)致靠近圓弧面速度減小，且圓弧面的存在使流動的橫截面積減小，環(huán)形通道的流速加快。
（2）葉輪進出口截面上的速度分布葉輪進出口截面上的速度分布分別如圖4和圖5所示。

  從圖4可以看出，在葉輪的入口截面上，速度軸對稱分布，這是由于所有葉片形狀完全相同且成中心對稱分布，以及前導(dǎo)流器成中心對稱并與葉輪葉片數(shù)相同，氣流流經(jīng)葉片時會與葉片迎流面發(fā)生碰撞而使得氣流速度減小，而背流面氣流由于截面減小從而使氣流加速。對比圖4和圖5可以看出，速度場結(jié)構(gòu)非常相似，后者的速度大小明顯增大。這主要是因為旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣流的牽連作用使得圓周方向的速度加大。

3.2、壓力場分布:
中心縱剖面壓力分布如圖6所示。葉輪進出口壓力分布如圖7、圖8所示。
從圖6可以看出，流道的內(nèi)部壓力逐漸減小。其中，前導(dǎo)流器球面壓損大，環(huán)形通道幾乎無壓力損失。其余部分壓力分布比較均勻。
由圖7、圖8可知，葉片迎流面上為高壓區(qū)域；沿著流動方向壓力逐漸降低；葉片壓力面上為低壓區(qū)域，沿著流動方向壓力逐漸增加。在葉片的入口截面上葉片前緣有明顯的壓力過渡，這些均說明葉片迎流面形狀對葉輪旋轉(zhuǎn)特性有影響。葉片前緣壓力較高，這是因為氣流在流動時，首先與葉片迎流面的前緣發(fā)生碰撞，做功較大的緣故。葉片后緣壓力也較高，是因為受邊界層的影響。

4、優(yōu)化后的流場
分析氣體渦輪流量計的內(nèi)流場后，發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)對流量計的壓損影響***大，為減小入口氣流對前導(dǎo)向器中心體的碰撞影響，降低進口的壓力損失，對前導(dǎo)向器做如下改進：將圓弧型前導(dǎo)流器改為流線型。通過對圖中的模型重新進行流態(tài)仿真，優(yōu)化后渦輪流量計內(nèi)部流場較優(yōu)化前更加均勻穩(wěn)定。改進前后中心剖面壓力等值線分布如圖9、圖10所示。
從圖9、圖10中可以看出，改進后前導(dǎo)向器的壓力損失更均勻（梯度較小），并使其后各部分的壓損減小，從而降低了渦輪流量計整體的壓損。
5、結(jié)束語
為研究渦輪流量計測量過程的流態(tài)分布，本文優(yōu)化了內(nèi)部流道，得到壓力損失小的渦輪流量計。通過對原型渦輪流量計內(nèi)部氣體流動規(guī)律的分析，得知前導(dǎo)向器的壓力損失不均勻（壓力梯度很大），可以將圓弧型前導(dǎo)向器改為流線形前導(dǎo)向器，降低渦輪流量計的總壓損，從而實現(xiàn)了渦輪流量計的氣流通道的優(yōu)化設(shè)計。