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[摘要]渦輪流量計性能會隨著被測流體粘度的增大而變差，為了降低介質(zhì)粘度對渦輪性能的影響，采用計算流體力學(xué)CFD)仿真的方法，通過適當(dāng)?shù)卦龃箜敹碎g隙，實(shí)現(xiàn)了對液體渦輪流量計參數(shù)的定量優(yōu)化，并從葉輪尾部流場、葉片表面壓力場及葉輪受力情況等方面分析了不同的葉輪頂端問隙對葉輪性能產(chǎn)生影響的機(jī)理。
　　液體渦輪流量計具有測量精度高、量程寬、壓損小、輸出脈沖信號、重復(fù)性和動態(tài)響應(yīng)好等多種優(yōu)點(diǎn)。在用于低粘度液體流量測量時，在相當(dāng)寬的流量范圍內(nèi)，其測量精度可達(dá)0.5%~0.15%，重復(fù)性可達(dá)0.1%~0.05%。缺點(diǎn)在于儀表系數(shù)受被測流體粘度變化的影響較大。一般來說，粘度變化對線性.特性的影響隨著流量計口徑的減小而增大。目前，國.內(nèi)渦輪流量計出廠時，一般都是用水或粘度比較低的柴油進(jìn)行檢定，但很多使用者卻用其來測量液壓油、潤滑油等中粘度甚至高粘度液體的流量。這就迫切要求提高渦輪流量計在測量粘性介質(zhì)時的精度。
　　通過改變?nèi)~輪葉片頂端間隙來實(shí)現(xiàn)渦輪的優(yōu)化在.以往的文獻(xiàn)口.四中已有出現(xiàn)，但如何進(jìn)行定量的優(yōu)化及改變頂端間隙會對渦輪的性能造成多大的影響等，卻仍需作進(jìn)一步的研究。
　　通過對不同葉輪頂隙的渦輪流量計進(jìn)行計算流體力學(xué)CFD)仿真四，當(dāng)流體粘度為9.1cSt時，渦輪的線性度誤差由0.987%減小至0.014%;當(dāng)流體粘度為31.6eSt時，渦輪的線性度誤差由5.568%減小至3.693%。
1渦輪流量計CFD仿真方法
1.1三維仿真模型建立
　　以DN10渦輪流量傳感器為例進(jìn)行研究，按照實(shí)驗(yàn)所用渦輪流量傳感器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)建立仿真模型，如圖1所示。在渦輪前后分別增加10D的直管段以模擬實(shí)流實(shí)驗(yàn)中的流動狀態(tài)。

1.2網(wǎng)格劃分
　　對模型的網(wǎng)格劃分是仿真的關(guān)鍵。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響仿真的求解過程和結(jié)果，若所劃網(wǎng)格質(zhì)量太差，在后續(xù)的仿真過程中會產(chǎn)生很多問題，減小收斂速度，影響求解結(jié)果的準(zhǔn)確性。在既保證網(wǎng)格質(zhì)量又控制網(wǎng)格數(shù)量的條件下，對網(wǎng)格進(jìn)行如下的劃分。
　　葉輪處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以在網(wǎng)格劃分時采用四面體網(wǎng)格，其intervalsize為0.12。在葉輪兩側(cè)定義了interface面，以聯(lián)接葉輪轉(zhuǎn)動區(qū)域和其它靜止區(qū)城。網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小于0.82.
1.3參數(shù)設(shè)定
　　選取SSTk-w湍流模型，對流體特性及邊界條件等都嚴(yán)格按照實(shí)流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，并采用多參考坐標(biāo)系的方法解決轉(zhuǎn)動的流體區(qū)域流場變化問題。通過監(jiān)測葉輪及輪轂的力矩，并根據(jù)驅(qū)動力矩與阻力.矩的差值對葉輪轉(zhuǎn)速大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)力矩系數(shù)Cm值達(dá)到10-9時，認(rèn)為葉輪所受力矩達(dá)到平衡，則此時的葉輪轉(zhuǎn)速即為合適的轉(zhuǎn)速。.
2葉輪頂端間隙影響的仿真
2.1頂端間隙影響的理論依據(jù)
　　當(dāng)流體在管道內(nèi)部流動時，渦輪流量計同時受到驅(qū)動力矩及阻力矩的作用。其中阻力矩主要包括粘性摩擦阻力矩、機(jī)械摩擦阻力矩和磁阻力矩等。而在測量粘性流體時機(jī)械摩擦阻力矩和磁阻力矩可以忽略不計。葉片邊緣與殼體內(nèi)壁之間充滿了流體，因此這一形式的摩擦阻力實(shí)際上是由流體與固體壁面之間由于存在著相對運(yùn)動而引起的粘性摩擦阻力。但是由于其間隙相當(dāng)小，因此流體在這一狹小間隙中的流動始終認(rèn)為是處在層流流動狀態(tài)，從而可直接應(yīng)用納維埃一斯托克斯方程對流場求解。

　　式中:T1為葉片頂端與傳感器外殼內(nèi)壁之間的粘性摩擦阻力矩，n·m;r,為葉片頂端處半徑，m;r。為流量計殼體內(nèi)壁半徑，m;C為葉片寬，m;ρ為流體密度，kg/m';v為流體運(yùn)動粘度，m2/s;0為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。由(1)式可以看出，通過減小r,即葉片頂端處半徑可以減小粘性摩擦阻力矩。
　　雖然葉片頂端間隙的增大可以減小T1的數(shù)值，增加葉輪轉(zhuǎn)速，降低渦輪對流體粘性的敏感程度，但是由于隨著頂隙的增大，漏流也增大，這會給測量的精度帶來影響，因此要兼顧兩者以達(dá)到平衡。
2.2仿真數(shù)據(jù)
通常采用葉片頂端間隙與管道半徑之比δ對頂端間隙進(jìn)行無量綱化

　　選擇了運(yùn)動粘度分別為9.1cSt、31.6eSt的柴油-機(jī)油混合液，對不同頂端間隙的渦輪流量計進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，渦輪流量計在測量時，一般在小流量點(diǎn)處的儀表系數(shù)會小于大流量點(diǎn)處的儀表系數(shù)，這是造成線性度誤差的原因。對于相同粘度的流體，在相同流速時，隨著頂端間隙的增大,渦輪流量計的旋轉(zhuǎn)角速度增大，相應(yīng)的儀表系數(shù)也增大。而渦輪流量計在測量粘性流體時主要受影響的是在小流量點(diǎn)，頂端間隙增大后，渦輪在小流量點(diǎn)處的儀表系數(shù)相對于大流量點(diǎn)得到了更大的提高,故減小了線性度誤差。即對于同一介質(zhì)粘度，渦輪流量計的儀表系數(shù)受流量變化的影響在減小。

3頂端間隙影響的機(jī)理分析
　　通過分析渦輪流量傳感器內(nèi)部的速度場和壓力場變化以及葉片受力情況等，可以理解在測量粘性流體時頂端間隙變化對流量傳感器特性產(chǎn)生影響的流體力學(xué)機(jī)理。
3.1速度場分析
　　圖2為渦輪葉片尾部流體速度矢量圖，灰色部分為葉片�？梢钥闯鲈谌~片的尾部，流體出現(xiàn)了流動分離。靠近葉輪的流體，其速度可以認(rèn)為與葉輪的轉(zhuǎn)速相同，葉輪的轉(zhuǎn)速越慢，其尾部的低流速區(qū)越大。

　　比較圖3(a)和圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可以看出當(dāng)流體粘度一定時，流量越大，葉輪的尾部低流速區(qū)越小。當(dāng)頂端間隙由0.2mm增加:至0.5mm時，對于相同粘度的流體和相同的流量點(diǎn)，葉輪尾部低流速區(qū)變小，表明葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大，即儀表系數(shù)變大。但在小流量點(diǎn)處，低流速區(qū)的相對變化較之于大流量點(diǎn)處要大，即小流量點(diǎn)處葉輪轉(zhuǎn)速的相對變化比大流量點(diǎn)處要大，則儀表系數(shù)的增加值相對也大，故渦輪的線性度誤差減小。

3.2壓力場分析
　　比較圖5(a)和圖5(b)、圖6中的圖6(a)和圖6(b)，可以看出，對于相同粘度的流體，隨著流量的增大，高壓區(qū)的面積變大，且向葉片的尾部和頂端移動，致使葉片所受驅(qū)動力矩增加，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大。對于相同粘度的流體在相同的流量點(diǎn)處，頂端間隙由0.2mm增大至0.5mm時，比較圖5和圖6可以看出，葉片表面的高壓區(qū)面積變大，且向葉片的尾部和頂端移動，致使葉輪所受驅(qū)動力矩增加，而由圖7和圖8可以看出葉片尾部的低壓區(qū)面積變小，葉輪旋轉(zhuǎn)的阻力減小，則旋轉(zhuǎn)的角速度增大，即儀表系數(shù)增大。

　　由3)式可以看出，當(dāng)其它條件一定時，對于.確定的葉輪轉(zhuǎn)速，葉輪受到的粘性阻力矩也是一定的。那么，反過來亦可以通過粘性阻力矩來判斷葉輪轉(zhuǎn)速的大小。
利用Fluent中的Report可以得到渦輪流量計所受的壓力力矩和粘性阻力矩，如表2所示。

　　比較表格中的數(shù)據(jù)可以得出，對于具有相同粘度的流體和相同的流量點(diǎn)，當(dāng)渦輪的頂端間隙增大時，葉輪所受到的粘性阻力矩變小，這直接導(dǎo)致了渦輪的轉(zhuǎn)速增大即儀表系數(shù)增大。在小流量點(diǎn)，粘性阻力矩相對減小了16.64%，在大流量點(diǎn)，粘性阻力矩相對減小了13.79%，這樣渦輪轉(zhuǎn)速在小流量點(diǎn)處相對增加較為顯著，故渦輪的線性度誤差得到了降低。
4結(jié)論
　　對具有不同頂端間隙的液體渦輪流量計進(jìn)行CFD仿真分析，當(dāng)流體粘度為9.leSt時，渦輪的線性度誤差由.0.987%減小至0.014%;當(dāng)流體粘度為31.6cSt時，渦輪的線性度誤差由5.568%減小至3.693%。通過分析渦輪的內(nèi)部流場及葉輪受力情況，可以得出以下
結(jié)論:
(1)適當(dāng)增大葉輪的頂端間隙，流體粘度和流量一定時，葉輪尾部低流速區(qū)減小，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大，即儀表系數(shù)變大。而小流量點(diǎn)處的低流速區(qū)相對變化較之于大流量點(diǎn)處要大，即小流量點(diǎn)處葉輪轉(zhuǎn)速的相對變化比大流量點(diǎn)處要大，則儀表系數(shù)的增加值相對也大，故渦輪的線性度誤差減小。
(2)對于相同粘度的流體，在相同的流量點(diǎn)，渦輪的頂端間隙適當(dāng)增加時，葉片尾部的低壓區(qū)面積變小，葉片表面的高壓區(qū)向葉片的尾部和頂端移動且面積變大，致使葉輪所受驅(qū)動力矩增加，旋轉(zhuǎn)的角速度增大，儀表系數(shù)增大。
(3)對于相同粘度的流體和相同的流量點(diǎn)，葉輪所受到的粘性阻力矩隨著葉輪頂端間隙增大而變小，則葉輪的轉(zhuǎn)速增大，液體渦輪流量計系數(shù)增大。在小流量點(diǎn)，粘性阻力矩相對減小值較大流量點(diǎn)處更為顯著，即儀表系數(shù)相對增加值更大，故渦輪的線性度誤差得到了降低。

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