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1 引 言
　　氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，具有重復(fù)性好、量程范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、輸出脈沖信號(hào)等特點(diǎn)，近年來已在石油、化工和天然氣等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。流量計(jì)的性能對(duì)工業(yè)發(fā)展有著關(guān)鍵的作用，因此，通過優(yōu)化流量計(jì)結(jié)構(gòu)來提高其計(jì)量性能，一直是流量測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題。
　　通過優(yōu)化渦輪流量計(jì)的表體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了流量計(jì)的測(cè)量范圍。Svedin［3］研制了靜態(tài)葉輪渦輪流量計(jì)，降低了流量計(jì)的壓損。葉輪的多參數(shù)定量?jī)?yōu)化方法，針對(duì) 15 mm口徑的傳感器確定了一組能夠?qū)崿F(xiàn)黏度不敏感的幾何參數(shù)。郭素娜等［5］研究了葉輪參數(shù)對(duì)渦輪傳感器性能的影響，確定了葉片切角參數(shù)為 0． 25 時(shí)傳感器性能佳。
前人的工作主要集中在對(duì)葉輪部分的優(yōu)化，對(duì)其它結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。前導(dǎo)流器作為渦輪流量計(jì)的主要組件之一，具有整形流場(chǎng)、壓縮流體、導(dǎo)向流動(dòng)、創(chuàng)造充分發(fā)展的速度分布的作用。整流效果直接影響流量計(jì)的品質(zhì)優(yōu)劣。因此，前導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于提高渦輪流量計(jì)性能具有重要意義。
　　CFD 數(shù)值模擬已經(jīng)成為預(yù)測(cè)傳感器性能［6-7］、研究渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)信息［8-9］的有效方法。本研究以氣體渦輪流量計(jì)前流器為優(yōu)化對(duì)象，通過Fluent 軟件對(duì)不同前導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)的渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，引入了流場(chǎng)均勻性指數(shù)來評(píng)價(jià)前導(dǎo)流器的整流效果，給出了針對(duì)前導(dǎo)流器部件的優(yōu)化建議，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案。
2 渦輪流量計(jì)簡(jiǎn)介及優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)
2．1 結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)
　　氣體渦輪流量計(jì)的主要組件包括前導(dǎo)流器、葉輪、后導(dǎo)流件等，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1 所示。

　　前導(dǎo)流器的主要特征參數(shù)有: 導(dǎo)流器直徑、導(dǎo)流體長(zhǎng)度、導(dǎo)流器葉片數(shù)目、導(dǎo)流葉片長(zhǎng)度。
2.2 工作原理
　　氣體渦輪流量計(jì)的工作原理: 氣體流過流量計(jì)推動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，葉片轉(zhuǎn)速與流體流速成正比，通過測(cè)量轉(zhuǎn)速來得到流速，進(jìn)而得到管道內(nèi)的流量值。待測(cè)體積流量 qv與輸出脈沖頻率 f 的關(guān)系式為:

式中: K 指流量計(jì)的儀表系數(shù)。
根據(jù)運(yùn)動(dòng)定律建立渦輪的運(yùn)動(dòng)方程為

　　式中: J 為渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; ω 為渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度，t 為時(shí)間，Tr為氣流對(duì)葉片的推動(dòng)力矩，Trm為機(jī)械摩擦力矩，Trf為流動(dòng)阻力矩，Tre為電磁阻力矩。
2.3 優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)
　　本文選取數(shù)值模擬過程中的定性指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的定量指標(biāo)作為優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，從仿真與實(shí)驗(yàn)兩方面綜合評(píng)價(jià)優(yōu)化結(jié)果。
2．3．1 流場(chǎng)均勻性指數(shù)
　　氣體渦輪流量計(jì)作為速度式流量計(jì)，是在氣流入口處接近平均速度輪廓的條件下設(shè)計(jì)和標(biāo)定的［10］。要想達(dá)到正確計(jì)量的目的，應(yīng)當(dāng)使葉輪處氣流的速度場(chǎng)盡量均勻。當(dāng)氣體來流的速度場(chǎng)紊亂時(shí)，氣流對(duì)渦輪葉片的推動(dòng)力矩 Tr隨之紊亂，導(dǎo)致葉片發(fā)生震顫，計(jì)量性能變差，嚴(yán)重時(shí)造成葉片與輪軸間磨損失效。而前導(dǎo)流器的作用就是整形流場(chǎng)，使氣體流速均勻，故引入流場(chǎng)均勻性指數(shù)作為優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)。
　　均勻性指數(shù) γ［11］描述了指定表面上指定物理量的變化情況，γ 取［0，1］，γ 越大表示均勻性越好。均勻性指數(shù)采用面積進(jìn)行衡量: 面積加權(quán)均勻性指數(shù) γα。
面積加權(quán)均勻性指數(shù)( γα) ，利用下式進(jìn)行計(jì)算:

　　從均勻性指數(shù)的定義可以看出，當(dāng)指定物理量為速度時(shí)，γα表示流場(chǎng)速度分布均勻性。面積加權(quán)均勻性指數(shù)在數(shù)值模擬中均可由程序自身提供，這樣大大提高了計(jì)算的便捷性。因此，在數(shù)值模擬中用 γα評(píng)價(jià)截面的流動(dòng)均勻性具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
2．3．2 計(jì)量性能指標(biāo)
　　基于氣體渦輪流量計(jì)的工作原理，依據(jù)渦輪流量計(jì)的檢定規(guī)程［12］，確定了渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能指標(biāo): 儀表系數(shù)、線性度、重復(fù)性以及壓力損失。1) 儀表系數(shù) K，依據(jù)規(guī)程按下式計(jì)算:

式中: ( Ki)max、( Ki)min分別指在整個(gè)流量范圍內(nèi)，各流量點(diǎn)儀表系數(shù)的最大值和最小值。
2) 重復(fù)性 Er，依據(jù)規(guī)程按下式計(jì)算：

　　式中: ( Er)i為第 i 個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性誤差; Eij為第i 個(gè)流量點(diǎn)第 j 次測(cè)量的相對(duì)示值誤差，% ; Ei為第i 個(gè)流量點(diǎn)的平均相對(duì)示值誤差，% 。
　　重復(fù)性是評(píng)價(jià)儀器穩(wěn)定的重要指標(biāo)，重復(fù)性越高說明流量計(jì)穩(wěn)定性越好。
3) 線性度 δ，依據(jù)規(guī)程按下式計(jì)算:

4) 壓力損失 Δp，依據(jù)規(guī)程規(guī)定為流量計(jì)入口上游 1DN 和出口下游 1DN 的兩點(diǎn)間的壓力差值。較小的壓力損失可減少輸運(yùn)氣體的能量消耗，降低運(yùn)輸成本。所以將壓損作為優(yōu)化評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。

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