腐蝕性氣體流量計(jì)概述--金湖天翔儀表有限公司  每件產(chǎn)品都是匠心之作！

在腐蝕性流量計(jì)的收集,，處理,，儲存，運(yùn)輸和分配中,，需要數(shù)百萬流量計(jì),。它不僅是天然氣供需貿(mào)易結(jié)算的基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)部門天然氣效率的主要技術(shù)指標(biāo),。因此,，流量計(jì)對測量精度和可靠性要求很高。燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)是速度流量計(jì),，是用于天然氣貿(mào)易計(jì)量的三大流量計(jì)之一,。近年來，燃?xì)鉁u輪流量計(jì)由于其重復(fù)性好,，測量范圍寬,，適應(yīng)性強(qiáng)，精度高，對流量變化的響應(yīng)性,，輸出脈沖信號,，重復(fù)性好以及體積小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于石油，化工和天然氣,。其他領(lǐng)域已被廣泛使用,。

   隨著腐蝕性氣體流量計(jì)在管道計(jì)量領(lǐng)域的廣泛使用，天然氣管道運(yùn)輸過程中的能耗成為不容忽視的問題,。天然氣管道輸送過程中的壓力損失是能耗的主要原因之一,。為確保天然氣順利輸送到用戶端，有必要增加每個(gè)壓縮機(jī)站的壓力,，并盡量減少管道運(yùn)輸過程中的壓力損失,。計(jì)量流量計(jì)在各級管道中造成的壓力損失占有很大的比例。因此,，研究我國燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)的節(jié)能減排壓力損失和推廣燃?xì)獗硇袠I(yè)的發(fā)展有很好的推動(dòng)力,。

   近年來，越來越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬方法研究渦輪流量計(jì),。例如,，XU，LIU等學(xué)者通過數(shù)值計(jì)算模擬了流量計(jì)的內(nèi)部流動(dòng),，并將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較,，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性。 ,。使用SA,，標(biāo)準(zhǔn)k-ε，RNGk-ε,，可實(shí)現(xiàn)k-ε和標(biāo)準(zhǔn)k-ω的五維湍流模型來進(jìn)行渦輪流量計(jì)的三維數(shù)值模擬,，并且通過應(yīng)用湍流模型是實(shí)時(shí)流量校準(zhǔn)值進(jìn)行比較和分析。這為所選湍流模型的數(shù)值模擬計(jì)算提供了一定的參考,。

   目前,，渦輪流量計(jì)的優(yōu)化主要是通過改進(jìn)流量導(dǎo)向器，葉輪,，軸承和非磁性信號檢測器的結(jié)構(gòu)尺寸和加工過程來改進(jìn)氣體,，高粘度流體和小流量的流量計(jì)。特性,。研究了降低渦輪流量傳感器粘度變化的靈敏度,。孫等人。使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來數(shù)值模擬孔徑為15mm的渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流量,。結(jié)果表明,，壓力損失受前后端形狀,，導(dǎo)流半徑和導(dǎo)流液的影響,。導(dǎo)葉和葉片厚度的影響,。雖然燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)流量的實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，前偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)變化也對下列部件中的氣體流速梯度和壓力恢復(fù)有顯著影響,?？倝毫p失進(jìn)一步放大或縮小，但流量計(jì)的其他部件未被分析,。本文將分析研究一種燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)各部件的壓力損失與流量之間的關(guān)系,，并提出其優(yōu)化思路。

1腐蝕性氣體流量計(jì)概述基本結(jié)構(gòu)和工作原理

   本文采用80mm燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)傳輸物體,，并對內(nèi)部流道的壓力損失進(jìn)行了數(shù)值模擬,。

   燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)如圖2所示,，其中圖2（a）是渦輪流量計(jì)的物理圖,，圖2（b）是渦輪機(jī)的物理流程圖流量計(jì)核心葉輪。

燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

渦輪流量計(jì)和葉輪物理圖

腐蝕性氣體渦輪流量計(jì)的原理是氣體流經(jīng)流量計(jì)以促進(jìn)渦輪葉片的旋轉(zhuǎn),。放置在流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)速度與流體的流速成比例,，并且通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)速度來獲得流體的流速以獲得管。道路交通價(jià)值,。渦輪流量計(jì)輸出脈沖頻率f與測得的體積流量qv成正比,，即

公式（1）：k米儀表系數(shù)。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,，葉輪的運(yùn)動(dòng)方程可寫為：

方程（2）：J-葉輪慣性;叔時(shí)間; ω-葉輪轉(zhuǎn)速; Tr推進(jìn)扭矩;機(jī)械摩擦阻力矩; Trf流阻力矩; Tre-電磁阻力矩,。

2計(jì)算模型

2.1數(shù)學(xué)模型

    渦輪流量計(jì)的數(shù)值模擬工作介質(zhì)為空氣，流體處于湍流狀態(tài),。數(shù)值模擬湍流模型采用Realizable K-ε模型,。該模型適用于模擬旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，具有較強(qiáng)壓力梯度的邊界層流動(dòng)和流動(dòng)分離,。二次流等,，其模型方程表示為：

 - 平均流速;聲速; μ - 動(dòng)力粘度系數(shù); υ - 運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù); K - 湍動(dòng)能; ε - 湍流耗散率; βT - 膨脹系數(shù); ωk - 角速度; - 平均旋轉(zhuǎn)速率張量;如果不考慮浮力，Gb = 0,，如果流量不可壓縮,，= 0，YM = 0,。

2.2流體區(qū)域網(wǎng)格劃分

   Solidworks 3D設(shè)計(jì)軟件用于根據(jù)實(shí)際尺寸對渦輪流量計(jì)的組件進(jìn)行建模和組裝,，簡化對流體面積影響較小的部件，例如主軸,，壓力接頭和注油孔,。

   在核心部分執(zhí)行布爾運(yùn)算以獲得純流體區(qū)域,，然后將包絡(luò)添加到葉輪以形成旋轉(zhuǎn)區(qū)域。機(jī)芯運(yùn)動(dòng)前后加入直徑為15倍的直管段,，確保進(jìn)出口流程得到充分發(fā)展,。湍流。

   總流體區(qū)域包括前部和后部直管部分,，葉輪外殼以及運(yùn)動(dòng)部分的流體區(qū)域,。使用Gambit軟件對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，優(yōu)化和簡化流體區(qū)域中難以網(wǎng)格化的部件（例如刻面和尖角）,，使用流體區(qū)域中的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格以及Impellers和其他流動(dòng)條件進(jìn)行部分加密在更復(fù)雜的區(qū)域,，如圖3所示。圖3（a）顯示了運(yùn)動(dòng)中流體的網(wǎng)格面積,，圖3（b）顯示了葉輪的網(wǎng)格,。網(wǎng)格總數(shù)約為230萬。

渦輪流量計(jì)流體面積網(wǎng)格

2.3數(shù)值模擬條件設(shè)定

   在數(shù)值計(jì)算中,，為了方便模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反,，環(huán)境溫度，濕度和壓力設(shè)置與實(shí)驗(yàn)條件相同,。根據(jù)拉斯穆森計(jì)算程序擬合的簡化公式（5）和（6）計(jì)算流體介質(zhì)的空氣,，空氣密度ρ和動(dòng)力粘度η。 ：

等式（5）（6）：T-溫度; P-壓力; H-濕度,。

   求解器使用分離,，隱式和穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法。湍流模型選擇Realizable k-ε湍流模型,。壓力插值選擇體力加權(quán)格式,。湍流動(dòng)能，湍流耗散項(xiàng)和動(dòng)量方程離散地采用二階迎風(fēng)格式,。與速度耦合使用SIMPLEC算法解決,，其余設(shè)置使用Fluent默認(rèn)值。

   計(jì)算區(qū)域使用管道入口處的速度入口邊界條件,。速度方向垂直于入口直線段,。出口邊界條件采用壓力出口。葉輪外殼設(shè)置為動(dòng)態(tài)流動(dòng)區(qū)域,，其余為靜態(tài)流動(dòng)區(qū)域,。接口邊界條件用于傳輸接口。對于旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分之間的耦合,，使用多參考坐標(biāo)模型（MRF）,。葉輪采用滑動(dòng)邊界條件并相對于附近旋轉(zhuǎn)流體區(qū)速度為零。 通過使用FLUENT軟件中的TurboTology和Turbo Report功能來確定葉輪轉(zhuǎn)速,，以不斷調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速并觀察葉輪轉(zhuǎn)速是否達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡,。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

   在流量計(jì)流量范圍內(nèi),，選擇13m3 / h，25m3 / h,，62.5m3 / h,，100m3 / h，175m3 / h和250m3 / h的6個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行相同工作環(huán)境的數(shù)值模擬,，燃?xì)廨啓C(jī)流量計(jì),。內(nèi)部流場和壓力分布數(shù)據(jù)。入口的橫截面取自前部整流器的前部10mm,，出口的橫截面在回流后取10mm。計(jì)算渦輪流量計(jì)入口和出口橫截面處的壓力差,，即獲得流量計(jì)的壓力損失,。

圖4顯示了流量和壓力損失之間的關(guān)系。圖中的實(shí)驗(yàn)值是在操作條件下使用聲波噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測量的,。

   根據(jù)圖4中壓力損失隨流量的變化趨勢,，流量與壓力損失之間的關(guān)系可以擬合為二次多項(xiàng)式。它的表達(dá)是-

   這與流量計(jì)的壓力損失計(jì)算公式（8）的趨勢*,，并且是二次函數(shù),。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。據(jù)說氦氣流量計(jì)的內(nèi)部流場數(shù)值模擬方法和結(jié)果是可行和可行的,?？煽俊Ａ髁坑?jì)壓力損失公式為

在等式（8）中：ΔP-壓力力量損失; α - 壓力損失系數(shù); υ - 管道的平均流量,。

   以流量Q = 250m3 / h的數(shù)值模擬結(jié)果為例,，分析了渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場和壓力場。圖5是渦輪流量計(jì)軸流段的靜壓分布圖,。導(dǎo)流板前后的壓力場分布壓力更均勻,，壓力梯度更小。運(yùn)動(dòng)殼體和葉輪支架的連接凸臺處的壓力增加,，并且連接表面處的壓力逐漸減小,。因此，流體流過葉輪支架導(dǎo)致壓力損失的主要原因是連接處有一個(gè)凸臺,，導(dǎo)致流場變化較大,，無法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡。建議將葉輪支架和機(jī)芯外殼之間的連接更改為圓形或流線型,。

   觀察圖,。如圖5和6所示，當(dāng)流體從后部擴(kuò)散器通過葉輪流出渦輪流量計(jì)時(shí),，在后部偏轉(zhuǎn)器凸臺和流量計(jì)處壓力梯度顯著變化,，存在負(fù)壓區(qū)域并導(dǎo)致大的壓降插座速度變化很明顯,。當(dāng)氣流通過后擴(kuò)散器時(shí)，流路突然膨脹,，在后偏轉(zhuǎn)器后部形成清晰的低速渦流,，從而形成渦流二次流。

   結(jié)合圖7和圖8的流量計(jì)軸向截面和出口截面的總壓力和速度分布,，速度分布與壓力分布相似,，并且流量計(jì)內(nèi)部速度在分布程度較均勻的區(qū)域，壓力梯度的變化也較小,，即流道中速度的分布和變化與壓力損失的大小有關(guān),。從流量計(jì)軸向截面和出口截面的速度和壓力分布圖可以看出，流量計(jì)后部分流器產(chǎn)生的渦流二次流影響出口截面的速度和壓力分布,。

   流量計(jì)各部分流量的壓力損失趨勢與流量計(jì)的總壓力損失隨流量的變化趨勢相同,，擬合公式為不同系數(shù)的二次多項(xiàng)式。各部件的壓力損失和流量具有二次函數(shù)關(guān)系,。隨著流量的增加,，壓力損失顯著增加。

   查看圖10中每個(gè)部件的壓力損失百分比圖,，可以看出前部整流器,，前部偏轉(zhuǎn)器和運(yùn)動(dòng)殼體處的壓力損失非常小，并且葉輪支架處的壓力損失約為1 /總壓力損失4,。前部整流器的壓力損失比在各個(gè)流動(dòng)點(diǎn)處基本保持恒定,，前部導(dǎo)流板和運(yùn)動(dòng)殼體處的壓力損失隨著流量增加而略微減小，并且葉輪支架處的壓力損失隨著流量增加,。這一比例略有增加,，但總體上不受流量影響。葉輪壓力損失從13m3 / h增加到250m3 / h,，比例從15增加到15下降0.88％至8.71％是顯著的,。后擋板處的壓力損失占總壓力損失的大部分，隨著流量從13m3 / h增加到250m3 / h,，壓損比從43.77％增加到55.83％,。增幅顯著?？傊?，后導(dǎo)流板，葉輪支架和葉輪是流經(jīng)渦輪流量計(jì)的流體的壓力損失的主要影響部件,，其可以被優(yōu)化以降低渦輪流量計(jì)的總壓損,。

4。結(jié)論

   本文采用Fluent軟件對直徑為80mm的腐蝕性氣體流量計(jì)的內(nèi)部流量計(jì),，壓力場和各部件進(jìn)行數(shù)值模擬,。得出以下結(jié)論：

1）渦流二次流是造成能源消耗的主要原因,。因此，建議優(yōu)化渦輪流量計(jì)葉輪支架和后部導(dǎo)流板的幾何參數(shù),，并改變凸臺邊緣以減少流線,。流道突然擴(kuò)大的效果減小了后導(dǎo)流葉片的厚度并增加了其長度和數(shù)量，從而減弱了氣體的螺旋流動(dòng)并削弱了渦流的二次流動(dòng),，從而降低了流量計(jì)的壓力損失,。

2）分析每個(gè)部件對壓力損失的影響。壓力損失和流量具有二次函數(shù)關(guān)系,。后部分流器相對于其他部件是壓力損失的主要因素,，約占總壓損的一半，隨著流量的增加,，壓損與總壓損的比率增加了12.06％,。 葉輪支撐的壓力損失約占總壓力損失的1/4，隨著流量的增加,，壓力損失率基本保持不變。 隨著流量的增加,，葉輪產(chǎn)生的壓力損失比例明顯降低,。

數(shù)值模擬分析表明，速度的分布和變化與壓力損失有關(guān),。 通過優(yōu)化流量計(jì)中的速度分布可以減少流量損失,。 渦輪流量計(jì)的后續(xù)優(yōu)化可以優(yōu)化流動(dòng)通道中的速度分布。