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0引言
　　氣體渦輪流量計(jì)是計(jì)量天然氣、液化氣、煤氣等介質(zhì)的速度式儀表[1-2]。為了改善氣體渦輪流量計(jì)的性能，為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和方向，近年來一些學(xué)者利用CFD技術(shù)對其內(nèi)部流場進(jìn)行了研究。LavanteEV等[3]利用FLUENT對氣體渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)仿真結(jié)果解釋實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象。對前導(dǎo)流器引起的流量計(jì)壓力損失進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量，從流動機(jī)理上解釋了結(jié)構(gòu)和壓損之間的關(guān)系。LIZhifei等[6]利用數(shù)值模擬得到了導(dǎo)流器內(nèi)部的速度場和壓力場，并以減小壓力損失為目標(biāo)優(yōu)化了導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)。通過對氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行CFD仿真，研究不同流量下的壓損值，并通過實(shí)驗(yàn)證明了數(shù)值模擬的有效性。對渦輪傳感器內(nèi)部的速度場和壓力場進(jìn)行了數(shù)值仿真，提出對前后導(dǎo)流器、葉輪葉片形狀和頁頂間隙的改進(jìn)。
　　上述研究中未涉及針對不同螺旋升角渦輪內(nèi)流場的數(shù)值模擬，以及渦輪葉片螺旋升角的改變對儀表性能影響的研究。本文對安裝35°和45°葉片螺旋升角渦輪的DN150型氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬結(jié)果預(yù)測儀表的始動流量和壓力損失，并利用預(yù)測的正確性，為渦輪葉片螺旋升角的進(jìn)一步提供數(shù)值方法。
1數(shù)學(xué)模型及邊界條件
　　利用FLUENT軟件對渦輪內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬時，忽略天然氣的密度變化，在0～1200m3/h內(nèi)，介質(zhì)流動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲速（即馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.3），認(rèn)為流體不可壓縮，且假設(shè)流動中無熱量交換，不考慮能量守恒方程。
1.1微分控制方程
　　氣體渦輪流量計(jì)內(nèi)部流動為湍流黏性流動，滿足連續(xù)性方程和黏性流體運(yùn)動方程。
基本微分方程[9]：
連續(xù)性方程：

1.2
　　湍流模型選擇由于雷諾應(yīng)力項(xiàng)的加入使時均N-S方程不封閉，為了求解引入k-ε兩方程湍流模型。兩方程湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型。其中，RNGk-ε模型主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動問題，在大范圍的湍流模擬中有較高的精度。該模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬各種復(fù)雜流動，其中湍流黏度由下式確定：

1.3網(wǎng)格劃分與定解條件
　　根據(jù)流量計(jì)的實(shí)際工況分別在介質(zhì)入口和出口處添加10倍管徑的直管段，并把整個模型剖分為3個區(qū)域：入口管道，旋轉(zhuǎn)區(qū)，出口管道。旋轉(zhuǎn)區(qū)域又細(xì)分為渦輪轉(zhuǎn)子和支架定子兩個區(qū)域，定子和轉(zhuǎn)子之間的耦合采用多參考MRF(MultipleReferenceFrame)模型。利用GAMBIT前處理模塊對進(jìn)、出口直管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而對旋轉(zhuǎn)區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分以滿足對葉輪內(nèi)部復(fù)雜區(qū)域的網(wǎng)格描述，各塊網(wǎng)格通過塊之間的交界面拼接在一起。網(wǎng)格總數(shù)為30多萬個四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和100多萬個六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)區(qū)網(wǎng)格如圖1所示。

　　定解條件包括介質(zhì)入口、出口和固壁邊界的設(shè)置。入口處給定相應(yīng)流量（1200m3/h）下的主流速度值；出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力相對大氣壓為0；進(jìn)、出口管道內(nèi)壁，支架均取無滑移固壁邊界條件。葉輪部分采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，給定相應(yīng)流量下的葉輪轉(zhuǎn)速，將葉片的吸力面和壓力面以及輪轂定義為旋轉(zhuǎn)壁面條件，在旋轉(zhuǎn)壁面條件的定義中，按照MRF的要求，將旋轉(zhuǎn)壁面的旋轉(zhuǎn)速度定義為相對速度，并且相對周圍流體速度為0。
2計(jì)算結(jié)果分析
2.1壓力場分析
　　流量計(jì)全壓定義為入口全壓與出口全壓之差，通過全壓分析能夠直接反映儀表壓損的大小。全壓越大表明流體經(jīng)過流量計(jì)后產(chǎn)生的壓損越大，壓損過大會導(dǎo)致流量計(jì)不能正常使用。進(jìn)口全壓一定時，出口全壓Pout越大，則流量計(jì)的全壓△P越小，壓力損失越小。如圖2（a）和圖3（a）所示，35°渦輪出口全壓要明顯小于45°渦輪出口處的全壓，這說明相同的工況下45°渦輪所產(chǎn)生的壓損較小。

　　渦輪葉片動壓的分布和大小直接影響渦輪驅(qū)動力矩的大小，35°葉片所受動壓明顯小于45°葉片所受動壓，說明在相同工況下45°螺旋升角渦輪能獲得較大的驅(qū)動力矩，如圖2（b）和圖3（b）所示，與35°渦輪相比，較小的流量就可推動渦輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，從而使儀表進(jìn)入線性工作區(qū)。由此可預(yù)測安裝45°螺旋角渦輪的儀表能獲得較小的始動流量。
2.2速度場分析
　　當(dāng)氣體介質(zhì)以充分發(fā)展的湍流經(jīng)過渦輪時，35°渦輪的速度矢量方向變化較大且向壁面集中，使得與葉片直接作用產(chǎn)生推動力矩的速度矢量減少，如圖（4a)所示，且在出口處速度衰減較大，間接說明介質(zhì)流經(jīng)渦輪后壓損的增加，如圖4（b）所示。而45°渦輪內(nèi)部的速度矢量分布比較均勻，過流性較好，與葉片直接作用的速度矢量較多，產(chǎn)生較大的驅(qū)動力矩，如圖（5a)所示，且在出口處速度衰減較小，如圖（5b)所示。



3實(shí)驗(yàn)對比
　　氣體渦輪流量計(jì)的檢定采用負(fù)壓檢測方法，如圖6所示，由標(biāo)準(zhǔn)吸風(fēng)裝置產(chǎn)生負(fù)壓使標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)和被檢定的氣體渦輪流量計(jì)同時測量，安裝在被測儀表兩端取壓口處的U型管可以測量流量計(jì)進(jìn)、出口處的壓力，從而得到儀表的壓力損失。
　　利用黃金分割法選取0～1200m3/h范圍8個流量點(diǎn)，在每一個流量點(diǎn)隨機(jī)采集3組不同時刻的數(shù)據(jù)，包括標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)和被檢定流量計(jì)的累積流量及其輸出脈沖數(shù)，對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均得到流量點(diǎn)處的平均儀表系數(shù)。通過采集U型管壓差裝置的指示值記錄每個流量點(diǎn)處的壓力損失，檢定結(jié)果如表2所示。

　　利用多項(xiàng)式插值對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行密化，得到20組插值數(shù)據(jù)，通過3次B樣條擬合得到儀表系數(shù)曲線和壓力損失曲線。
始動流量以儀表系數(shù)進(jìn)入線性區(qū)的最小流量來確定，在小流量區(qū)內(nèi)安裝45°螺旋升角渦輪的流量計(jì)在流量20m3/h左右即進(jìn)入線性工作區(qū)；而安裝35°螺旋升角渦輪的流量計(jì)則在流量150m3/h左右時才進(jìn)入線性工作區(qū)，而且在線性工作區(qū)內(nèi)也存在著明顯的波動，如圖7所示.

　　35°渦輪流量計(jì)在各工況點(diǎn)處的壓損明顯大于45°渦輪流量計(jì)，最大壓損達(dá)到3500Pa以上，如圖8所示。上述分析表明安裝45°螺旋升角渦輪的流量計(jì)與安裝35°螺旋升角渦輪的流量計(jì)相比具有較小的始動流量，較小的壓力損失，而且儀表計(jì)量的線性度較好。

4結(jié)論
　　對螺旋升角為35°和45°的氣體渦輪流量計(jì)旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析描述其內(nèi)部流動的壓力場和速度場，安裝45°螺旋升角渦輪的流量計(jì)比安裝35°螺旋升角渦輪的流量計(jì)具有較小的始動流量和壓力損失。
利用黃金分割法選取儀表流量范圍內(nèi)的檢定點(diǎn)，通過儀表負(fù)壓檢定平臺獲得了儀表系數(shù)曲線和壓力損失曲線，與數(shù)值仿真中的預(yù)測相吻合，表明數(shù)值模在流量計(jì)性能預(yù)測中的有效性。
　　渦輪葉片的螺旋升角是影響儀表性能的關(guān)鍵參數(shù)，合理選擇渦輪的葉片螺旋升角，可進(jìn)一步改善儀表的性能。

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