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聯系我們1 天然氣流量計的工作原理
天然氣流量計工作原理如圖 1 所示。在流體流入天然氣流量計后，起旋器螺旋葉片會迫使流體產生旋轉，使軸向運動的流體產生一個切向的速度，從而形成旋渦流，旋渦中心稱之為“渦核" ， “渦核"外圍是環(huán)流。在收縮段，因為管徑逐漸減小，流體渦核速度增加，沿流動方向的渦核直徑會逐漸縮小，同時強度會逐漸加強，此時渦核路徑與流量計的軸線相一致。進入擴大段后，旋渦速度急劇下降，在壓差的作用下產生回流。而受到回流的作用，渦核會圍繞流量計軸線做螺旋進動，旋渦進動貼近擴大段壁面方向，其進動頻率與流體流速呈正比關系，因此，通過檢測旋渦的頻率可測得流體的流量，并在較寬的流量范圍內獲得良好的線性度。流量計算公式為：Q=f/K
式中： K 為儀表系數 （流過單位體積的流體所產生的脈沖數， K 值在儀表出廠前由生產者給出） ； f 為旋渦進動頻率，Hz；Q 為體積流量，m 3 /h。
2 天然氣流量計的幾何模型
本文研究對象為 150 mm 口徑天然氣流量計， 模型幾何參數如表 1 所示，流道二維示意圖如圖 2 所示。天然氣流量計的起旋器由輪轂和 6 個均布螺旋葉片組成，起旋器入射角 α 表示起旋器輪轂軸向與螺旋葉片中徑處切向的夾角，如圖 3 所示，所以不同的起旋器入射角對應的是起旋器螺旋葉片的不同導程。原模型流量計的起旋器入射角為 57.5°，在保持喉部直徑及其他參數不變的情況下，對起旋器入射角進行調整，角度改變幅度為 2.5°，分別為 55°和 60°。經過換算可得：入射角 55°時，導程為 237 mm；入射角 57.5°時，導程為 215 mm；入射角 60°時，導程為 195 mm。
3 原流量計模型的數值模擬和試驗結果對比分析
3.1 數值計算方法
3.1.1 網格劃分
圖 4 為流量計內流場仿真物理模型和計算網格圖。在數值計算時，為了使得湍流得到充分發(fā)展，在流量計的進口延長 1D （管徑） 的長度， 在出口處延長 3D （管徑）的長度， 因此計算區(qū)域總長度為 1 035 mm。 采用 GAMBIT軟件進行網格劃分，網格劃分采用結構化和非結構混合網格，對于局部流動復雜部分進行網格加密處理，經過網格無關性驗證，綜合考慮計算精度以及計算效率，本文采用的網格總數為 160 萬左右。
3.1.2 邊界條件
本文采用商用 CFD 軟件 FLUENT 進行數值計算， 其中求解器為壓力基求解器，流體介質為空氣，密度為1.225 kg/m 3 。
邊界條件設置：進口邊界采用速度進口，出口邊界條件為自由出流，壁面采用無滑移邊界條件。
入口流量范圍為 120～2 100 m 3 /h，在此范圍內取5個流量點， 一般情況下取Q min 、 1/7Q max 、 5/14Q max 、 4/7Q max和 Q max [14] （120、300、750、1 200 和 2 100 m 3 /h）進行計算。
3.1.3 湍流模型
天然氣流量計的內部流動為復雜的三維湍流流動。 標準的 k-ε 湍流模型用于強旋流或帶有彎曲壁面的流動時會出現一定的失真， 因此本文選用 RNG k-ε 湍流模型。
3.2 試驗方法
音速噴嘴標定裝置原理如圖 5 所示，它主要由真空泵機組、儲氣罐、匯流管、開關閥、音速文丘里噴嘴和計算機等組成。根據所需標定的zui大及zui小流量范圍，由該標定裝置確定文丘里噴嘴的個數，由此得到所需要的標準流量。試驗氣體經被檢儀表進入容器后，音速噴嘴出口壓力為定值時，噴嘴喉部的雷諾數也為定值，將此流動狀態(tài)定義為臨界流狀態(tài)。根據連續(xù)性原理，此時通過被檢表的氣體質量流量與通過噴嘴處氣體的流量相等。選擇不同數量的噴嘴組合，可標定不同范圍的流量值。通過環(huán)境條件檢測如溫度、壓力等參數，由計算機采集數據，經過修正后計算得到標準流量值，獲得測量結果。
天然氣流量計測試試驗臺如圖 6 所示。將天然氣流量計水平安裝在 150 mm 口徑的管路上(圖 6 中 1 處的位置） ， 在直管段上游 1D 及下游 1D 的位置均裝有與計算機相連的壓力傳感器（所用壓力傳感器型號為：HQ-3051，精度為 0.2 級，量程為 0～60 kPa，zui大誤差是 12 Pa） ，可測得壓力損失數據，通過調節(jié)不同的音速噴嘴，當滿足試驗所需的流量時，可測量得到不同流量工況下的壓力損失。
3.3 數值模擬和試驗結果對比分析
天然氣流量計特性， 通常以信號頻率 f 和體積流量Q 之間的關系曲線來表示，其理論上是一條通過坐標原點的直線。 也可表達為儀表系數 K 和體積流量 Q 的關系，其理論上是一條平行于 Q 所在坐標軸的直線。前者適合于查找 f 與 Q 的對應關系；后者適應于儀表精度性能的研究，且以 K-Q 關系表示居多。因此本文采用 K-Q 關系曲線表征儀表的精度特性，使用壓力損失 P Δ 和體積流量Q 的曲線表征流量計的壓力損失特性，以儀表的非線性度來衡量天然氣流量計的精度，其表達式為：
式中：δ 為儀表度；K max 為zui大儀表系數；K min 為zui小儀表系數；K 0 平均儀表系數。
本文對原模型流量計內部流場進行了非定常數值計算，非定常時間步長取脈動周期的 1/30，脈動周期由K=f/Q 確定。圖 7 所示為起旋器入射角度為 57.5°時天然氣流量計數值模擬和試驗得到的性能曲線。其中圖 7a為流量和壓力損失的關系，圖 7b 為流量與儀表系數的關系。表 2 為原模型流量計試驗和數值模擬得到的流量計的性能參數值。
由圖 7a 可見，在流量 120～2 100 m 3 /h 范圍內，流量計壓力損失的數值模擬結果與試驗值能夠較好的吻合，當流量較大時，數值模擬的值相比于試驗值偏高，這是由于天然氣流量計起旋器在加工過程中存在誤差，誤差在±0.3%以內是可以接受的，但是很難控制，該誤差會使得起旋器葉片與管壁之間存在間隙，間隙的存在會使得試驗壓力損失比計算壓力損失要小。由于氣體速度較低，在zui大流量下的空氣流速在 33 m/s 左右，馬赫數遠遠小于 0.3，因此在數值計算時不考慮氣體的壓縮性，計算結果基本能夠反映壓力損失的實際變化。由圖 7b 中可見，流量計儀表系數的數值模擬結果與試驗值基本吻合。
4 不同起旋器入射角時流量計內部流動和性能分析
由以上對 57.5°天然氣流量計的試驗和數值模擬結果對比分析發(fā)現，采用數值模擬的方法對天然氣流量計的性能進行分析是可行的。因此，本文采用和原模型一致的數值計算方法對入射角為 55°和 60°的天然氣流量計內部流動進行了計算。
4.1 壓力損失與儀表系數分析
圖 8 為不同入射角下流量計的性能曲線，由圖 8a 可以看出，起旋器入射角越大，流量計壓力損失越大。起旋器入射角為 55°時，其zui大壓力損失相比于 60°時下降了 6600 Pa。這是因為起旋器入射角越小，則其螺旋葉片導程越大，螺旋葉片對于流體的阻力減弱，壓力損失相應變小。
由圖 8b 可見，起旋器入射角越大，儀表系數越大。起旋器角度為 55°時， 其儀表系數線性度明顯較另外 2 組更優(yōu)，此時壓電傳感器所測得的壓力脈動信號較另外 2組更穩(wěn)定。
為了更直觀地表征起旋器入射角對天然氣流量計計量特性的影響，表 3 列出了不同入射角下zui大壓力損失與儀表精度的對比。由表 3 可見，就儀表精度來說，3組入射角均能滿足要求， 其中入射角為 55°時儀表精度和壓力損失均為。
4.2 流量計內部流場分析
圖9為不同入射角時流量計模型在流量Q=2100 m 3 /h時 Y=0 截面的壓力云圖。由云圖可見，不同入射角的流量計在進口處的壓力變化趨勢基本相同，壓力均下降2 kPa 左右；入射角越大則喉部的壓力下降越明顯并且出口處壓力損失越大。入射角 α=55°時，喉部和進口的zui大壓差達到 15 kPa 以上；α=57.5°時，流量計內部局部位置的壓力下降達到 20 kPa 以上；α=60°時，局部位置的壓力下降達到了 30 kPa。流量計局部zui大壓力損失位置主要集中在起旋器頂部，此外，流量計內部壓力分布在渦核處的壓力較低，越靠近壁面壓力越大。整個收縮段以及喉部段的壓力分布不均勻，經過擴張段以及消旋器后，壓力基本 穩(wěn)定。
