陳 鑠,蘇中地,林景殿

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江蒼南儀表廠, 浙江 蒼南 325800)

氣體渦輪流量計(jì)流道壓力損失的數(shù)值模擬

陳 鑠1,蘇中地1,林景殿2

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江蒼南儀表廠, 浙江 蒼南 325800)

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)一口徑為80 mm的氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行工況條件的數(shù)值模擬研究.通過計(jì)算,分析了流量計(jì)在不同流量下,各部件包括前整流器、前導(dǎo)流器、機(jī)芯殼體、葉輪支座、葉輪和后導(dǎo)流器對(duì)壓力損失的影響,給出了各部件的流量與壓力損失的關(guān)系曲線及其壓力損失比例.數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，進(jìn)而從流道內(nèi)的壓力分布和流場(chǎng)分析壓力損失原因并提出減少壓力損失的改進(jìn)思路.

渦輪流量計(jì);數(shù)值模擬;壓力損失

在天然氣的采集、處理、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和分配過程中,需要數(shù)以百萬計(jì)的流量計(jì),它既是天然氣供需雙方貿(mào)易結(jié)算的依據(jù),也是生產(chǎn)部門用氣效率的主要技術(shù)指標(biāo),因此對(duì)流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性有很高的要求.

氣體渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì),是應(yīng)用于燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量的三大流量?jī)x表之一.由于具有重復(fù)性好、量程范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、對(duì)流量變化反應(yīng)靈敏、輸出脈沖信號(hào)、復(fù)現(xiàn)性好和體積小等特點(diǎn),氣體渦輪流量計(jì)近年來已在石油、化工和天然氣等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[1].

隨著渦輪流量計(jì)在管道計(jì)量領(lǐng)域的廣泛使用,天然氣管道輸送過程中的能耗成為不容忽視的問題,而天然氣管道輸送過程中的壓力損失是產(chǎn)生能源消耗的主要原因之一.為保證天然氣能順利輸送至用戶端,就需要提高各壓氣站的輸送壓力并盡量減少管道輸送過程中的壓力損失,而各級(jí)管道上的計(jì)量流量計(jì)所造成的壓力損失占有很大比重.因此,氣體渦輪流量計(jì)的壓力損失研究對(duì)節(jié)能減排和推動(dòng)我國(guó)燃?xì)庥?jì)量?jī)x表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有較好的推動(dòng)作用.

近年來,越來越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬仿真方法對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行研究,如XU[2-3]、LIU[4]、LPEZ-GONZLEZ等[5]學(xué)者均通過數(shù)值計(jì)算形式模擬流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng),并與實(shí)驗(yàn)比較驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性.王振[6]分別應(yīng)用S-A、標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNGk-ε、Realizablek-ε和標(biāo)準(zhǔn)k-ω這5種湍流模型對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行三維數(shù)值模擬,并將應(yīng)用各湍流模型得出的仿真儀表系數(shù)與實(shí)流標(biāo)定值進(jìn)行對(duì)比和分析,這對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算選取湍流模型給出了一定參考.

目前,渦輪流量計(jì)的優(yōu)化主要通過改良其導(dǎo)流件、葉輪、軸承、非磁電信號(hào)檢出器等部件的結(jié)構(gòu)尺寸和加工工藝,來改善流量計(jì)測(cè)量氣體、高粘度流體和小流量時(shí)的特性.孫立軍[7]對(duì)降低渦輪流量傳感器粘度變化敏感度進(jìn)行了研究.SUN等[8]采用了Standardk-ε湍流模型數(shù)值模擬口徑為15 mm的渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流動(dòng),結(jié)果表明壓力損失受到前端和后端形狀、導(dǎo)流體半徑、導(dǎo)流體的導(dǎo)流片和渦輪葉片厚度的影響.劉正先和徐蓮環(huán)[9]雖然對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的流動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算,發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)變化對(duì)后面各部件內(nèi)的氣體流動(dòng)速度梯度和壓力恢復(fù)也有明顯影響,使總壓力損失進(jìn)一步放大或減小,但對(duì)流量計(jì)的其它部件未進(jìn)行分析.本文將對(duì)一種型號(hào)氣體渦輪流量計(jì)各部件的壓力損失與流量的關(guān)系進(jìn)行分析研究,以提出其優(yōu)化思路.

1 渦輪流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用蒼南儀表廠的CNiM-TM系列80 mm口徑氣體渦輪流量計(jì)作為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部流道的壓力損失數(shù)值模擬.

氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.氣體渦輪流量計(jì)實(shí)物如圖2,其中圖2(a)為渦輪流量計(jì)實(shí)物圖,圖2(b)為渦輪流量計(jì)機(jī)芯葉輪實(shí)物圖.

1—前整流柵;2—前導(dǎo)流器;3—?dú)んw;4—支座;5—葉輪;6—后導(dǎo)流器圖1 氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure of the gas turbine flowmeter

圖2 渦輪流量計(jì)及葉輪實(shí)物圖Figure 2 Turbine flowmeter and the impeller

氣體渦輪流量計(jì)的原理是,氣體流過流量計(jì)推動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn),利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系,通過測(cè)量葉輪轉(zhuǎn)速來得到流體流速,進(jìn)而得到管道內(nèi)的流量值[10].渦輪流量計(jì)輸出的脈沖頻率f與所測(cè)體積流量qv成正比,即

f=kqv.

(1)

式(1)中：k—流量計(jì)的儀表系數(shù).

根據(jù)運(yùn)動(dòng)定律可以寫出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式(2)中:J—葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;t—時(shí)間;ω—葉輪的轉(zhuǎn)速;Tr—推動(dòng)力矩;Trm—機(jī)械摩擦阻力矩;Trf—流動(dòng)阻力矩;Tre—電磁阻力矩.

2 計(jì)算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

設(shè)定渦輪流量計(jì)數(shù)值模擬的工作介質(zhì)為空氣.流動(dòng)處于湍流流動(dòng),數(shù)值模擬湍流模型采用RealizableK-ε模型,該模型適用于模擬計(jì)算旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等,其模型方程表示為[11]:

PK+Gb-ρε-YM；

(3)

(4)

2.2 流體區(qū)域網(wǎng)格劃分

使用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件依照實(shí)物尺寸對(duì)渦輪流量計(jì)各部件進(jìn)行建模及組裝,簡(jiǎn)化主軸、取壓孔和加油孔等對(duì)流體區(qū)域影響較小的部分.

先對(duì)機(jī)芯部分做布爾運(yùn)算得到純流體區(qū)域,然后對(duì)葉輪外加包絡(luò)體形成旋轉(zhuǎn)區(qū)域,在機(jī)芯進(jìn)出口前后均加上15倍機(jī)芯口徑的直管段,以保證進(jìn)出口流動(dòng)為充分發(fā)展湍流.

全部流體區(qū)域包括前后直管段、葉輪包絡(luò)體以及機(jī)芯部分的流體區(qū)域.用Gambit軟件對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)流體區(qū)域中的小面和尖角等難以生成網(wǎng)格的部分進(jìn)行優(yōu)化和簡(jiǎn)化處理,流體區(qū)域使用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格,并對(duì)機(jī)芯流道內(nèi)葉輪等流動(dòng)情況較復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行了局部加密,如圖3.其中圖3(a)為機(jī)芯流體區(qū)域網(wǎng)格圖,圖3(b)為葉輪網(wǎng)格圖,整體網(wǎng)格總數(shù)量約230萬.

圖3 渦輪流量計(jì)流體區(qū)域網(wǎng)格圖Figure 3 Grids of the turbine flowmeter’s flow domain

2.3 數(shù)值模擬仿真條件設(shè)置

數(shù)值計(jì)算時(shí),為方便模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,環(huán)境溫度、濕度和壓力設(shè)置與實(shí)驗(yàn)工況相同,流體介質(zhì)選擇空氣,空氣的密度ρ和動(dòng)力粘度η根據(jù)Rasmussen提出的計(jì)算規(guī)程擬合推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化公式(5)和(6)計(jì)算獲得[12]:

ρ=2.032×10-1-7.137×10-4T+2.281×

10-5P-3.728×10-8TP;

(5)

η=4.103×10-6+4.587×10-8T-

4.944×10-10H.

(6)

式(5)(6)中:T—溫度;P—壓力;H—濕度.

求解器采用分離、隱式、穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法,湍流模型選擇Realizablek-ε湍流模型,壓力插值選擇Bodyforceweighted格式,湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)和動(dòng)量方程均采用二階迎風(fēng)格式離散,壓力與速度的耦合采用SIMPLEC算法求解,其余設(shè)置均采用Fluent默認(rèn)值.

計(jì)算區(qū)域管道入口采用速度入口邊界條件,速度方向垂直于入口直管段截面.出口邊界條件采用壓力出口.葉輪包絡(luò)體設(shè)置為動(dòng)流動(dòng)區(qū)域,其余為靜流動(dòng)區(qū)域,采用interface邊界條件作為分界面,對(duì)于旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分之間的耦合采用多重參考坐標(biāo)模型(MRF).葉輪采用滑移邊界條件且相對(duì)于附近旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域速度為零.葉輪轉(zhuǎn)速是通過使用FLUENT軟件中的TurboTopology與TurboReport功能,不斷調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速,觀察葉輪轉(zhuǎn)速是否達(dá)到力矩平衡來確定的.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在流量計(jì)流量范圍內(nèi)選取了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這6個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行同工況環(huán)境數(shù)值模擬,得到氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)和壓力分布等數(shù)據(jù).進(jìn)口橫截面取于前整流器前10mm處,出口橫截面取于后導(dǎo)流體后10mm處.計(jì)算渦輪流量計(jì)進(jìn)出口橫截面上的壓力差,即得到流量計(jì)的壓力損失.

圖4為流量與壓力損失之間的關(guān)系曲線,圖中實(shí)驗(yàn)值是在工況條件下使用音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得.

圖4 流量與壓力損失曲線圖Figure 4 Curve of the pressure loss and the flowrate

根據(jù)圖4中壓力損失隨流量的變化趨勢(shì),可以將流量與壓力損失之間的關(guān)系擬合曲線為二次多項(xiàng)式,其表達(dá)式為

(7)

這與流量計(jì)的壓力損失計(jì)算公式(8)趨勢(shì)相符,均為二次函數(shù),且數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好,說明渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬方法及結(jié)果是可行且可靠的.流量計(jì)的壓力損失計(jì)算公式為[13]

(8)

式(8)中:ΔP—壓力損失;α—壓力損失系數(shù);v—管道平均流速.

以流量Q=250 m3/h的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)及壓力場(chǎng)的分析.圖5為渦輪流量計(jì)軸向剖面靜壓分布圖.前導(dǎo)流器前后的壓力場(chǎng)分布較均勻且壓力梯度較小,在機(jī)芯殼體與葉輪支座連接凸臺(tái)處壓力有所增加,連接面后壓力又逐漸減小.故認(rèn)為流體流經(jīng)葉輪支座產(chǎn)生壓力損失的主要原因是連接處存在凸臺(tái),導(dǎo)致流場(chǎng)出現(xiàn)較大變化,不能平滑過渡,建議將葉輪支座與機(jī)芯殼體的連接改為圓弧線型或流線型.

觀察圖5和圖6,當(dāng)流體流經(jīng)葉輪從后導(dǎo)流器流出渦輪流量計(jì)時(shí),壓力梯度變化明顯,存在負(fù)壓區(qū)域并造成很大的壓降,在后導(dǎo)流器凸臺(tái)及流量計(jì)出口處速度變化明顯,由于氣流通過后導(dǎo)流器后流道突擴(kuò),在后導(dǎo)流器背面形成明顯的低速渦區(qū),產(chǎn)生了漩渦二次流.

圖5 流量計(jì)軸向剖面靜壓分布圖Figure 5 Static pressure distributions in the axial sections of the flowmeter

圖6 流量計(jì)軸向剖面流線圖Figure 6 Velocity stream lines in the axial sections of the flowmeter

結(jié)合圖7、圖8流量計(jì)軸向剖面和出口橫截面的總壓及速度分布圖,其速度分布與壓力分布相似,流量計(jì)流道內(nèi)速度分布較均勻的區(qū)域其壓力梯度變化也較小,即流道內(nèi)速度的分布和變化與壓力損失大小相關(guān).由流量計(jì)軸向剖面和出口橫截面的速度及壓力分布圖可以看出,流量計(jì)后導(dǎo)流器處產(chǎn)生的漩渦二次流影響了出口橫截面處的速度及壓力分布,流體呈螺旋狀流動(dòng),故出口處速度及壓力較大區(qū)域均偏移向流體旋轉(zhuǎn)方向.

圖7 流量計(jì)軸向剖面和出口橫截面總壓分布圖Figure 7 Total pressure distributions in axial and export sections of the flowmeter

圖8 流量計(jì)軸向剖面和出口橫截面速度分布圖Figure 8 Velocity distributions in axial and export sections of the flowmeter

圖9 各部件的流量與壓力損失曲線圖Figure 9 Relationship between the pressure loss and the flowrate of each component

流量計(jì)各部件的壓力損失隨流量變化的趨勢(shì)與流量計(jì)總壓力損失隨流量的變化趨勢(shì)相同,其擬合公式為系數(shù)不同的二次多項(xiàng)式.各部件的壓力損失與流量呈二次函數(shù)關(guān)系,隨著流量的增加,壓力損失顯著增加.

圖10 各部件壓力損失百分比圖Figure 10 Graph of each component’s pressure loss

觀察圖10各部件壓力損失百分比圖,可見前整流器、前導(dǎo)流器和機(jī)芯殼體處的壓力損失很小,葉輪支座處壓力損失約占總壓力損失的1/4.前整流器所占?jí)毫p失比例在各流量點(diǎn)基本保持不變,前導(dǎo)流器和機(jī)芯殼體處的壓力損失隨流量的增加其比例略有降低,葉輪支座處壓力損失隨流量的增加其比例略有增加,但總體上受流量影響不大.葉輪處的壓力損失隨流量從13 m3/h增加至250 m3/h,其比例從15.88%降至8.71%,降幅明顯.后導(dǎo)流器處的壓力損失占總壓力損失的大半,隨著流量從13 m3/h增加至250 m3/h其壓力損失比例由43.77%升至55.83%,增幅明顯.總之,后導(dǎo)流器、葉輪支座和葉輪是流體流經(jīng)渦輪流量計(jì)產(chǎn)生壓力損失的主要影響部件,可通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)以降低渦輪流量計(jì)的總壓力損失.

4 結(jié) 語

本文采用Fluent軟件對(duì)一口徑為80 mm的渦輪流量計(jì)內(nèi)部進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分析內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及各部件產(chǎn)生的壓力損失,得出以下結(jié)論:

1)漩渦二次流是產(chǎn)生能量消耗的主要原因,故建議對(duì)渦輪流量計(jì)葉輪支座及后導(dǎo)流器進(jìn)行幾何參數(shù)的優(yōu)化,將其凸臺(tái)邊緣改為流線型以減少流道突擴(kuò)的影響.減少后導(dǎo)流器葉片厚度并增加其長(zhǎng)度及數(shù)量以減弱氣體螺旋狀流動(dòng),減弱漩渦二次流,達(dá)到降低流量計(jì)壓力損失的目的.

2)分析各部件對(duì)壓力損失的影響,其壓力損失與流量成二次函數(shù)關(guān)系.后導(dǎo)流器相對(duì)于其他部件是壓力損失的主要因素,約占總壓力損失的一半,隨著流量的增加其壓力損失占總壓力損失的比例上升了12.06%.葉輪支座的壓力損失約占總壓力損失的1/4,其壓力損失比例隨流量的增加基本不變.隨著流量的增加葉輪產(chǎn)生的壓力損失比例降幅明顯.

通過數(shù)值模擬分析得出速度的分布和變化與壓力損失大小相關(guān),通過優(yōu)化流量計(jì)流道內(nèi)的速度分布可降低流量計(jì)的壓力損失,后續(xù)相關(guān)的渦輪流量計(jì)優(yōu)化研究可從優(yōu)化其流道內(nèi)速度分布入手.

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Numerical simulation of the pressure loss of a gas turbine flowmeter’s flow channel

CHEN Shuo1, SU Zhongdi1, LIN Jingdian2

(1. College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Zhejiang Cangnan Instrument Factory, Zhejiang Cangnan 325800, China)

A gas turbine flowmeter with a diameter of 80mm was studied with computational fluid dynamics under working conditions. The influence of the components including the front rectifier, the front deflector, the core shell, the impeller bearing, the impeller and the rear deflector on the pressure loss were analyzed at different flowrates. The relationship between the pressure loss and the flowrate, the percentage of the total pressure loss of the flowmeter’s components were given. The numerical simulation was consistent with the experimental result. We analyzed the cause of the pressure loss according to the pressure and velocity distribution of the flow channel and proposed the improvement suggestion.

turbine flowmeter; numerical simulation; pressure loss

1004-1540(2015)02-0134-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.002

2014-12-01 《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

浙江省流量計(jì)量?jī)x表及在線校準(zhǔn)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(No.2009R50024).

TH814

A