摘 要：
  通過(guò)試驗(yàn)研究漸縮管對(duì)下游渦輪流量傳感器測(cè)量性能的影響，以平均儀表系數(shù)相對(duì)偏差、線(xiàn)性度和重復(fù)性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，指出漸縮管流場(chǎng)擾動(dòng)使渦輪流量傳感器儀表系數(shù)減小、線(xiàn)性度誤差增大。通過(guò)仿真分析漸縮管下游渦輪流量傳感器內(nèi)部流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)漸縮管對(duì)下游流場(chǎng)的擾動(dòng)影響了渦輪流量傳感器的內(nèi)部流場(chǎng)，速度分布變化是影響傳感器儀表系數(shù)的主要原因。

  液體渦輪流量傳感器儀表系數(shù)受上游阻流件流場(chǎng)擾動(dòng)影響的研究尚不多見(jiàn)。筆者通過(guò)試驗(yàn)和CFD 仿真，分析上游漸縮管擾動(dòng)流場(chǎng)對(duì)渦輪流量傳感器測(cè)量性能的影響。認(rèn)為漸縮管擾動(dòng)使渦輪流量傳感器儀表系數(shù)變小，線(xiàn)性度誤差變大。速度分布變化是該影響產(chǎn)生的主要因素。
1、試驗(yàn)研究①：
1． 1、試驗(yàn)研究對(duì)象：
  以天大泰和公司生產(chǎn)的 DN100 渦輪流量傳感器作為試驗(yàn)研究對(duì)象，其測(cè)量精度優(yōu)于 0.5%，渦輪流量傳感器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為:葉片 8 個(gè)葉片導(dǎo)程 251． 0mm導(dǎo)流葉片 3 個(gè)導(dǎo)流件輪轂直徑 38． 0mm前導(dǎo)流件長(zhǎng)度 117． 5mm后導(dǎo)流件長(zhǎng)度 73． 0mm葉輪軸向厚度 19． 0mm軸承的類(lèi)型 套筒軸承。
1． 2、試驗(yàn)裝置：
  試驗(yàn)研究在天津大學(xué)流量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的高精度水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置( 圖 1) 上進(jìn)行。該裝置可檢測(cè)的流量計(jì)口徑包括 DN80、DN100、DN150、DN200、DN250 和 DN300。其標(biāo)準(zhǔn)表法可測(cè)流量的范圍為1 ～ 800m3/ h，整體不確定度為 0． 20% ( k = 2 ) ，流量穩(wěn)定度優(yōu)于 0． 10% ?？膳c稱(chēng)重法和容積法的檢定結(jié)果互相比較和核實(shí)，稱(chēng)重法和容積法的整體不確定度均為 0． 05% ( k = 2) 。采用高位水塔提供穩(wěn)壓水源，流量穩(wěn)定性好。

圖 1 水試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

表 1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
  在 14 ～ 145m3/ h 范圍中取 7 個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行檢定試驗(yàn)，每個(gè)流量點(diǎn)檢定 3 次。各參數(shù)計(jì)算公式如下:

式中 Kij———每個(gè)流量點(diǎn)每次檢定的儀表系數(shù);珔Ki———每個(gè)儀表系數(shù);珔K ———平均儀表系數(shù);Δ珔K ———傳感器上游有漸縮管情況下平均儀表系數(shù)與基準(zhǔn)試驗(yàn)平均儀表系數(shù)相比的相對(duì)偏差;ε ———線(xiàn)性度;δi———每點(diǎn)重復(fù)性;δ ———儀表重復(fù)性。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析：
2． 1、試驗(yàn)結(jié)果：
  儀表系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖 2 所示，流量范圍為14 ～ 145m3/ h。從基準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，儀表系數(shù)曲線(xiàn)符合渦輪流量傳感器特征曲線(xiàn)，儀表系數(shù)在測(cè)量范圍內(nèi)穩(wěn)定在 4． 23 左右。當(dāng)渦輪流量傳感器上游有漸縮管時(shí)，隨前直管段長(zhǎng)度減小，儀表系數(shù)特征曲線(xiàn)整體下移。

圖 2 儀表系數(shù)試驗(yàn)曲線(xiàn)

2． 2、評(píng)價(jià)指標(biāo)分析：
  不同前直管段長(zhǎng)度情況下的儀表系數(shù)相對(duì)偏差如圖 3 所示。漸縮管對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)造成的渦輪流量傳感器儀表系數(shù)誤差為負(fù)誤差，且這種影響隨流量計(jì)與漸縮管之間的直管段長(zhǎng)度的減小而增大。從圖 4 重復(fù)性隨前直管段長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)可以看出，重復(fù)性沒(méi)有隨直管段長(zhǎng)度減小而有規(guī)律地變化。

圖 3 儀表系數(shù)相對(duì)偏差

  從圖 5 線(xiàn)性度隨前直管段長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)可以看出，線(xiàn)性度隨前直管段長(zhǎng)度減小而增大。從線(xiàn)性度定義可知，線(xiàn)性度只與傳感器***小、***大儀表系數(shù)有關(guān)。***小儀表系數(shù)處于傳感器***小流量，此時(shí)阻力矩中主要為機(jī)械摩擦阻力矩，流體粘性阻力可忽略; ***大儀表系數(shù)處于湍流流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)阻力矩中主要為流體粘性阻力矩，機(jī)械摩擦阻力可忽略。無(wú)論阻力矩中的主要部分是什么，驅(qū)動(dòng)力矩都需要與總阻力矩平衡。因此，驅(qū)動(dòng)力矩變化是儀表系數(shù)變化的主要原因。漸縮管擾動(dòng)影響流動(dòng)介質(zhì)對(duì)葉輪的驅(qū)動(dòng)力矩，使***小儀表系數(shù)和***大儀表系數(shù)同時(shí)變小，導(dǎo)致線(xiàn)性度公式中分子不變，而分母變小，線(xiàn)性度變大。

圖 5 線(xiàn)性度隨前直管段長(zhǎng)度變化的曲線(xiàn)

3、仿真分析：
  為研究?jī)x表系數(shù)相對(duì)偏差隨前直管段長(zhǎng)度變化的原因，對(duì)渦輪流量傳感器上游存在漸縮管的流場(chǎng)進(jìn)行仿真。仿真模型使用試驗(yàn)中的幾何尺寸。因?yàn)榉抡嬷袃H觀(guān)察上游漸縮管對(duì)下游渦輪流量傳感器處流場(chǎng)的影響，仿真模型中未考慮葉輪和前 /后導(dǎo)流板，并簡(jiǎn)化了葉輪周?chē)鷮?duì)流體流動(dòng)影響較小的幾何形態(tài)特征，僅分析葉輪葉片入口軸向速度剖面。分別對(duì)圓管充分發(fā)展流動(dòng)中的渦輪流量傳感器流場(chǎng)，以及渦輪流量傳感器上游 2D、5D 和 10D處有漸縮管的 4 種流場(chǎng)情況進(jìn)行仿真。使用商業(yè)CFD 軟件 FLUENT 進(jìn)行計(jì)算。前、后直管長(zhǎng)度分別為 50D 和 5D，在傳感器局部使用四面體網(wǎng)格，傳感器上、下游使用六面體和棱錐網(wǎng)格，湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn) k-epsilon 模型。流動(dòng)介質(zhì)為水，流量為 56m3/h。傳感器局部流場(chǎng)流速云圖如圖 6 所示。

圖 6 傳感器局部流場(chǎng)流速云圖
  葉輪葉片入口速度剖面對(duì)渦輪流量傳感器儀表系數(shù)的計(jì)算有重要影響。速度剖面的變化必然導(dǎo)致測(cè)量誤差。4 種流場(chǎng)情況下，葉片入口軸向速度剖面如圖 7 所示。為了便于觀(guān)察，取徑向位置大于零的一半放大，并以***大流速為參考量進(jìn)行歸一化比較，結(jié)果如圖 8 所示?？梢钥闯觯诨鶞?zhǔn)試驗(yàn)中，流動(dòng)介質(zhì)流過(guò)前導(dǎo)流件迎流面后，在環(huán)形通道內(nèi)的流動(dòng)遠(yuǎn)未達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。所以在葉片入口位置的軸向速度剖面表現(xiàn)出靠近環(huán)形通道內(nèi)側(cè)的速度較大，靠近環(huán)形通道外側(cè)的速度較小。當(dāng)管道上游存在漸縮管時(shí)，漸縮管對(duì)管壁附近的流體產(chǎn)生收縮擠壓效果，導(dǎo)致靠近管壁的流速增大。這一影響一直延續(xù)到下游渦輪流量傳感器內(nèi)部流場(chǎng)。從圖中可以看出，當(dāng)渦輪流量傳感器位于漸縮管下游 2D 處時(shí)，這種影響***明顯，靠近環(huán)形通道外側(cè)處的速度相對(duì)較大，靠近環(huán)形通道內(nèi)側(cè)的速度相對(duì)較小。隨著傳感器與漸縮管之間直管段長(zhǎng)度的不斷增加，速度剖面中***大速度點(diǎn)的位置也不斷向環(huán)形通道內(nèi)側(cè)方向移動(dòng)，傳感器內(nèi)部流場(chǎng)速度剖面逐漸向基準(zhǔn)試驗(yàn)中環(huán)形通道內(nèi)的速度剖面靠近。

  Salami L A［8］的研究表明，在葉片根部和中部，流體推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在葉片頂部和中上部，流體阻礙葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。基于相同的數(shù)學(xué)模型對(duì)渦輪流量傳感器儀表系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，采用不同的葉輪入口流體速度剖面，將獲得不同的預(yù)測(cè)結(jié)果。其中，采用環(huán)形通道充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)速度剖面進(jìn)行計(jì)算，儀表系數(shù)將比實(shí)際數(shù)值偏大; 采用均勻速度剖面進(jìn)行計(jì)算，儀表系數(shù)將比實(shí)際數(shù)值偏小［9］。這是因?yàn)楫?dāng)采用均勻速度剖面計(jì)算時(shí)，在靠近環(huán)形通道外側(cè)流體速度將明顯大于實(shí)際流速。在管道上游存在漸縮管的流場(chǎng)中，漸縮管對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)使渦輪流量傳感器處的速度剖面不同于充分發(fā)展流動(dòng)，所造成的結(jié)果使靠近環(huán)形通道外側(cè)的流體流速增大。所以處于漸縮管下游的渦輪流量傳感器儀表系數(shù)偏小，且這種影響隨傳感器與漸縮管之間直管段長(zhǎng)度的減小而增大。