渐缩管对涡轮流量传感器测量性能的影响

摘 要：
  通过试验研究渐缩管对下游涡轮流量传感器测量性能的影响，以平均仪表系数相对偏差、线性度和重复性为评价指标，指出渐缩管流场扰动使涡轮流量传感器仪表系数减小、线性度误差增大。通过仿真分析渐缩管下游涡轮流量传感器内部流场，发现渐缩管对下游流场的扰动影响了涡轮流量传感器的内部流场，速度分布变化是影响传感器仪表系数的主要原因。

  液体涡轮流量传感器仪表系数受上游阻流件流场扰动影响的研究尚不多见。笔者通过试验和CFD 仿真，分析上游渐缩管扰动流场对涡轮流量传感器测量性能的影响。认为渐缩管扰动使涡轮流量传感器仪表系数变小，线性度误差变大。速度分布变化是该影响产生的主要因素。
1、试验研究①：
1． 1、试验研究对象：
  以天大泰和公司生产的 DN100 涡轮流量传感器作为试验研究对象，其测量精度优于 0.5%，涡轮流量传感器的关键结构参数为:叶片 8 个叶片导程 251． 0mm导流叶片 3 个导流件轮毂直径 38． 0mm前导流件长度 117． 5mm后导流件长度 73． 0mm叶轮轴向厚度 19． 0mm轴承的类型 套筒轴承。
1． 2、试验装置：
  试验研究在天津大学流量检测实验室的高精度水流量标准装置( 图 1) 上进行。该装置可检测的流量计口径包括 DN80、DN100、DN150、DN200、DN250 和 DN300。其标准表法可测流量的范围为1 ～ 800m3/ h，整体不确定度为 0． 20% ( k = 2 ) ，流量稳定度优于 0． 10% 。可与称重法和容积法的检定结果互相比较和核实，称重法和容积法的整体不确定度均为 0． 05% ( k = 2) 。采用高位水塔提供稳压水源，流量稳定性好。

图 1 水试验装置结构

表 1 试验方案设计
  在 14 ～ 145m3/ h 范围中取 7 个流量点进行检定试验，每个流量点检定 3 次。各参数计算公式如下:

式中 Kij———每个流量点每次检定的仪表系数;珔Ki———每个仪表系数;珔K ———平均仪表系数;Δ珔K ———传感器上游有渐缩管情况下平均仪表系数与基准试验平均仪表系数相比的相对偏差;ε ———线性度;δi———每点重复性;δ ———仪表重复性。
2、试验结果与分析：
2． 1、试验结果：
  仪表系数试验结果如图 2 所示，流量范围为14 ～ 145m3/ h。从基准试验结果可以看出，仪表系数曲线符合涡轮流量传感器特征曲线，仪表系数在测量范围内稳定在 4． 23 左右。当涡轮流量传感器上游有渐缩管时，随前直管段长度减小，仪表系数特征曲线整体下移。

图 2 仪表系数试验曲线

2． 2、评价指标分析：
  不同前直管段长度情况下的仪表系数相对偏差如图 3 所示。渐缩管对流场扰动造成的涡轮流量传感器仪表系数误差为负误差，且这种影响随流量计与渐缩管之间的直管段长度的减小而增大。从图 4 重复性随前直管段长度变化的曲线可以看出，重复性没有随直管段长度减小而有规律地变化。

图 3 仪表系数相对偏差

  从图 5 线性度随前直管段长度变化的曲线可以看出，线性度随前直管段长度减小而增大。从线性度定义可知，线性度只与传感器***小、***大仪表系数有关。***小仪表系数处于传感器***小流量，此时阻力矩中主要为机械摩擦阻力矩，流体粘性阻力可忽略; ***大仪表系数处于湍流流动状态，此时阻力矩中主要为流体粘性阻力矩，机械摩擦阻力可忽略。无论阻力矩中的主要部分是什么，驱动力矩都需要与总阻力矩平衡。因此，驱动力矩变化是仪表系数变化的主要原因。渐缩管扰动影响流动介质对叶轮的驱动力矩，使***小仪表系数和***大仪表系数同时变小，导致线性度公式中分子不变，而分母变小，线性度变大。

图 5 线性度随前直管段长度变化的曲线

3、仿真分析：
  为研究仪表系数相对偏差随前直管段长度变化的原因，对涡轮流量传感器上游存在渐缩管的流场进行仿真。仿真模型使用试验中的几何尺寸。因为仿真中仅观察上游渐缩管对下游涡轮流量传感器处流场的影响，仿真模型中未考虑叶轮和前 /后导流板，并简化了叶轮周围对流体流动影响较小的几何形态特征，仅分析叶轮叶片入口轴向速度剖面。分别对圆管充分发展流动中的涡轮流量传感器流场，以及涡轮流量传感器上游 2D、5D 和 10D处有渐缩管的 4 种流场情况进行仿真。使用商业CFD 软件 FLUENT 进行计算。前、后直管长度分别为 50D 和 5D，在传感器局部使用四面体网格，传感器上、下游使用六面体和棱锥网格，湍流模型使用标准 k-epsilon 模型。流动介质为水，流量为 56m3/h。传感器局部流场流速云图如图 6 所示。

图 6 传感器局部流场流速云图
  叶轮叶片入口速度剖面对涡轮流量传感器仪表系数的计算有重要影响。速度剖面的变化必然导致测量误差。4 种流场情况下，叶片入口轴向速度剖面如图 7 所示。为了便于观察，取径向位置大于零的一半放大，并以***大流速为参考量进行归一化比较，结果如图 8 所示。可以看出，在基准试验中，流动介质流过前导流件迎流面后，在环形通道内的流动远未达到充分发展状态。所以在叶片入口位置的轴向速度剖面表现出靠近环形通道内侧的速度较大，靠近环形通道外侧的速度较小。当管道上游存在渐缩管时，渐缩管对管壁附近的流体产生收缩挤压效果，导致靠近管壁的流速增大。这一影响一直延续到下游涡轮流量传感器内部流场。从图中可以看出，当涡轮流量传感器位于渐缩管下游 2D 处时，这种影响***明显，靠近环形通道外侧处的速度相对较大，靠近环形通道内侧的速度相对较小。随着传感器与渐缩管之间直管段长度的不断增加，速度剖面中***大速度点的位置也不断向环形通道内侧方向移动，传感器内部流场速度剖面逐渐向基准试验中环形通道内的速度剖面靠近。

  Salami L A［8］的研究表明，在叶片根部和中部，流体推动叶轮转动，在叶片顶部和中上部，流体阻碍叶轮转动。基于相同的数学模型对涡轮流量传感器仪表系数进行预测，采用不同的叶轮入口流体速度剖面，将获得不同的预测结果。其中，采用环形通道充分发展状态速度剖面进行计算，仪表系数将比实际数值偏大; 采用均匀速度剖面进行计算，仪表系数将比实际数值偏小［9］。这是因为当采用均匀速度剖面计算时，在靠近环形通道外侧流体速度将明显大于实际流速。在管道上游存在渐缩管的流场中，渐缩管对流场的扰动使涡轮流量传感器处的速度剖面不同于充分发展流动，所造成的结果使靠近环形通道外侧的流体流速增大。所以处于渐缩管下游的涡轮流量传感器仪表系数偏小，且这种影响随传感器与渐缩管之间直管段长度的减小而增大。