（检测技术与自动化装置专业论文）旋进旋涡流量计的原理探讨和结构优化.pdf

摘要 摘要 流量测量是自控参数测量中最复杂的参数测量，它在国民经济、国防 建设、科学研究中非常重要。旋进旋涡流量计是近几十年来开发并投入市 场的一种流体振荡式流量计，可适用于石油、蒸汽、天然气、水等多种介 质的流量测量。它主要用于测量中、低压和中、小流量的气体( 如城市中 的管道燃气，因为安全等因素，气体的压力、流速不能太高) ，并具有内 部无机械可动部件，耐腐蚀性好，量程比宽等优点。 但是旋进旋涡流量计也存在一些不足之处，比如旋进旋涡流量计的工 作原理没有其它旋涡型流量计的完善，振荡频率信号容易被外界振动源所 干扰，并且压力损失相对也大。目前学者和科研人员对旋进旋涡流量计的 分析和研究集中在信号检测、旋进旋涡流量计的安装和使用上，至今作者 还没有看到有关详细研究旋进旋涡流量计内部结构和压力损失的文章报 导。 所以本课题从理论探讨、数值仿真和实验验证相结合的方法对旋进旋 涡流量计做了深入的研究。研究的创新点和成果包括： 深入探讨了旋进旋涡流量计的工作原理，并做了详细的数学推导和明 确的文字表述； 利用f l u e n t 仿真软件，分析了旋进旋涡流量计的压力损失情况： a p = k p q 2 d 4 ，与流量的平方成正比，流量越高压力损失越大，改变起旋 器和表体结构时，关系依然是二次曲线，仅k 1 值发生变化； 利用f l u e n t 仿真软件，优化了起旋器螺旋叶片的设计，不仅使流量下 限从l o m 3 h 降低到5 m 3 h ，而且使压力损失从1 7 5 艘2 d 4 降低到 7 8 , o q 2 d 4 ： 课题还验证了旋进旋涡流量计的旋涡脉动频率与流量之间的线性关 系。 本课题的研究成果为目前缺少对旋进旋涡流量计工作原理的详尽研 究提供了依据；为进一步研究旋进旋涡流量计压力损失打下了较好的基 础；对于扩展旋进旋涡流量计的量程下限，同时减少其压力损失等问题具 有较大的实用价值。 关键字：旋进旋涡流量计，起旋器，计算流体力学，仿真，流量下限，压 力损失 垒里! ! 垦垒曼! a b s t r a c t t h ef l o wm e a s u r ei st h em o s tc o m p l e xp a r a m e t e rm e a s u r ei nt h e a u t o m a t i cc o n t r o lp a r a m e t e rm e a s u r e i ti sf a i r l yi m p o r t a n ti nt h en a t i o n a l e c o n o m y ，t h en a t i o n a ld e f e n s ed e v e l o p m e n ta n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h t h e s w i r l m e t e ri sak i n do ff l u i dv i b r a t o r yt y p ef l o w m e t e rw h i c hi sd e v e l o p e d ， t h e ni n v e s t e dt h em a r k e ti nt h er e c e n ts e v e r a ld o z e n sy e a r s a p p l yt o p e t r o l e u m ，s t e a m ，n a t u r a lg a s ，w a t e ra n dm a n yk i n d so fm e d i u mf l o wm e a s u r e i tm a i n l yb eu s e di nm e a s u r i n gt h em i d d l ea n dl o wp r e s s u r ea n dt h em i d d l e a n ds m a l lf l u xo fg a s ( s u c ha sp i p e l i n ef u e lg a si nt h ec i t y ，t h eg a s p r e s s u r e a n df l u i ds p e e dc a n tt o ob eh i g hf o rs e c u r i t yf a c t o ra n ds oo n ) ，h a s n tt h e m e c h a n i c a lm o b i l ec o m p o n e n t s ，r e s t r a i n se r o s i v ea b i l i t yw e l l ，a n dh a sw i d e m e a s u r i n gr a n g er a t i oa n ds oo nm e r i t h o w e v e r ，s w i r l m e t e rh a sa l s om u c hd e f i c i e n c y f o ri n s t a n c ep r i n c i p l eo f s w i r l m e t e ri s n tm o r ec o n s u m m a t et h a nt h a to fo t h e rf l o w m e t e r s ，a n dt h e p r e s s u r el o s si sc o r f e s p o n d i n g l ys e v e r i t y a tp r e s e n tt h es c h o l a ra n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h e rc o n c e n t r a t et h e i ra n a l y s i sa n dr e s e a r c ht oi n s t a l l m e n t ，u s ea n d s i g n a ld e t e c t i n g h i t h e r t ot h ea u t h o rh a s n ts e e na n yp a r t i c u l a ri n v e s t i g a t e a b o u tt h ea r t i c l eo fs w i r l m e t e r si n t e r n a ls t r u c t u r ea n dp r e s s u r el o s s t h e r e f o r et h et h e s i sd i dt h et h o r o u g hr e s e a r c ho nt h ef u n d a m e n t a l r e s e a r c h ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n tc o n f i r m e dm e t h o d t h e i n v e s t i g a t i v ei n n o v a t i o na n da c h i e v e m e n ta r ea sf o l l o w ： t h o r o u g h l yh a v i n gs t u d i e dp r i n c i p l eo fs w i r l m e t e r ，a n dh a v i n gm a d et h e d e t a i l e dm a t h e m a t i c si n f e r e n t i a lr e a s o n i n ga n dt h ee x p l i c i tl i t e r a ld e s c r i p t i o n ； u s i n gf l u e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h ea u t h o rh a sa n a l y z e dp r e s s u r el o s s o fs w i r l m e t e r ：p = k 1 p 0 2 d 4 p r e s s u r el o s sh a st h ed i r e c tr a t i ow i t ht h e s q u a r eo ff l u x m o r e o v e rf l u xi sh i g h e rt h e np r e s s u r el o s si sm o r es e r i o u s w h e ns t r u c t u r eo ft h es w i r lg e n e r a t o ra n dt h es h e l lw e r ec h a n g e d ，t h er e l a t i o n i ss t i l lt h ec o n i c ，o n l yt h ek ic h a n g i n g ； u s i n gf l u e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h ea u t h o rh a so p t i m i z e dd e s i g no f s w i r lg e n e r a t o r sv a n e ，c a u s e sn o to n l yf l u xl o w e rl i m i th a sr e d u c e df r o m 10 m 3 ht o5 m h ，b u ta l s ot h ep r e s s u r el o s sh a sm i n i s h e df r o m17 s a p 2 d 4 t o 7 s p q 2 d 4 ； 垒曼! ! 堡垒曼! t h et h e s i sh a sa l s oc o n f i r m e dl i n e a r r e l a t i o n b e t w e e ns w i r lp u l s a t i l e f r e q u e n c ya n df l u xo fs w i r l m e t e r ； t h et h e s i s ，i n v e s t i g a t i v er e s u l t sh a v ep r o v i d e dt h eb a s i so fl a c k i n g m i n u t e l yi n v e s t i g a t i v ep r i n c i p l eo fs w i r l m e t e ra tp r e s e n t ，h a v eb u i l tt h eb e t t e r f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y i n gp r e s s u r el o s so fs w i r l m e t e r ，a n dh a v et h e g r e a t e rp r a c t i c a lv a l u et oe x p a n dt h em e t r i c a lr a n g el o w e rl i m i to fs w i r l m e t e r ， s i m u l t a n e o u s l yr e d u c ep r e s s u r el o s sa n ds oo n k e yw o r d ：s w i r l m e t e r ，s w i r lg e n e r a t o lc f d ，s i m u l a t i o n ，f l u xl o w e rl i m i t ， p r e s s u r el o s s 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：m 口筚年胆月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤盔盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 粼虢胎摊名：7 双 签字日期：聊年拉月f 日 签字日期：z 矿甲“年f 。月乙f j 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 流量检测的重要意义 2 i 世纪是信息的世纪。信息是物体和现象属性的反映，信息通过一定 形式的信号反映出来。人们要了解和研究物体和现象的属性，就要把信息 和信号检测出来，然后进行各种处理和分析，其目的是为了准确获得表征 它们的定量信息，为生产过程自动化及科研提供可靠数据。因而检测理论 和技术就成为一门重要的学科。它包括根据被测对象的特点，选用合适的 测量仪器仪表及实验方法，通过测量及数据处理和误差分析，准确得到被 测量的数据，为生产过程的自动化等提供可靠得数据“1 。 和温度、压力测量一样，流量测量是自控参数测量中一类过程参数的 测量，它在国民经济、国防建设、科学研究中非常重要。凡是涉及到具有 流动介质的工艺流程，无论是气体、液体，还是固体粉末，都与流量的检 测有着密切的关系。随着我国工农业的发展，对流体流量的测量提出了越 来越多、越来越高的要求，特别是近几年来，由于节能、综合控制和智能 管理系统的出现，无论是从质量上，还是从数量上，都更加重视以过程状 态量为中心的现场信息。因为各种流体，如水、煤气、天然气、石油产品 等，都是重要的能源，只有做到准确测量，才能做到“节能有数、耗能有 据”。流量测量在国民经济中占有十分重要的地位和作用，因此需要更多 更好的流量测量仪表“”。 1 1 2 流量计的分类与适用场合 现代工业中流量测量技术日新月异，为了适应各种用途，采用了各种 各样的方法，应用于各种不同场合。这些测量方法基于多种不同的测量原 理，利用各种不同的输出信号变化来反映流体流量的变化，现今已有多种 类型的流量计相继问世。目前投入生产、使用的流量计已超过1 0 0 种“1 。 现在世界上所使用的流量计大致可以分为两类：传统流量计和新技术流量 计，具体分类如图卜l 所示。 不同流量计其适用场合，对被测介质的要求，性能价格比等均有较大 差异“0 1 。对于高流速的气体，如蒸汽，为了减少在传输过程中的热量损 第一章绪论 失，因此其流动速度不能太小，有多种流量计可以选择，如涡街流量计、 节流式流量计等。而对于低压低流速，小流量的气体，如城市中的管道燃 气，因为安全等因素，气体的压力、流速不能太高。目前测量低流速气体 的流量计有浮子式面积流量计、容积流量计等，但因其受到流体的压力、 温度和成分等因素影响，且量程比小等问题，有些场合受到限制。然而， 旋进旋涡流量计由于其自身特有的工作原理，成功地解决了中小流量的测 量问题，并且具有测量精度高、量程比宽等优点。尤其当被测流体瞬时流 量较小或流量波动幅度较大，或者被测流体的温度、压力、密度等变化明 显时，应用旋进旋涡流量计能够比较准确地测量出流体的流量，满足了中 低流速流量测量的需要“”。 图卜1 流量计分类 1 2 旋进旋涡流量计的概述 1 2 1 旋进旋涡流量计的发展历史 第一章绪论 近几十年来适用于不同介质及工况条件的新型计量仪表相继问世，旋 进旋涡流量计即为其中之一。它是近几十年来开发并投入市场的一种流体 振荡式流量计，可适用于石油、蒸汽、天然气、水等多种介质的流量测量 1 。美国标准公司在7 0 年代初，研制了最早的旋进旋涡流量计。2 0 世纪 7 0 ，8 0 年代我国研制开发了旋进旋涡流量计( 上海工业自动化仪表研究所) 14 l 。经过二十多年的发展，旋进旋涡流量计在各方面得到了很大提高。 旋进旋涡流量计由于不受流体温度、压力、密度、粘度的影响，所以较早 的旋进旋涡流量计不具有温、压补偿和压缩系数修正的功能。用户要自己 根据气态方程将工况下的气体流量转换到标况下，对于温度、压力波动较 大的气体，人工取温度、压力平均值，将其换算到标况下的误差是很大的 is o 这样不但增加了使用者的工作量，也增大了人为计算所带来的各种 误差，所以出现了旋进旋涡智能流量计，它是在普通型旋进旋涡流量计的 基础上，实现了对管道内介质的压力及介质温度的自动补偿和压缩因子的 自动补偿，集流量、温度、压力检测功能于一体，从而将工况下的气体体 积流量转变为标准状态下的体积流量“”，据称几年来累计产量已达5 干多 台，在天然气等流量测量方面大量的应用。”1 。 1 2 2 旋进旋涡流量计的研究状况 旋迸旋涡流量计发展近三十年，但是对该类流量计的研究很少见于文 献。一方面是由于生产公司对该类流量计的资料的保密，另一方面是该类 流量计的流场情况的特殊性和复杂性( 流道很复杂使理论分析和计算非常 困难) 对于工业界没有强烈的吸引力。关于旋进旋涡流量计最早的文献是 1 9 7 0 年d i j s t e l b e r g e n 阐述旋进旋涡流量计原理的文章“”。1 9 9 1 年h e i n r i c h s 作了用差分传感器提高旋进旋涡流量计提高量程下限的实验研究 ”。t 9 9 9 年c a s c e t t a 等人对旋进旋涡流量计做了实际工况下的仪表特性 实验研究“。2 0 0 0 年傅新等人应用流体力学仿真对旋进旋涡流量计的流 场特性进行了研究，进而提出了通过信号差分处理提高旋进旋涡流量计抗 干扰能力的设计。另外，在发表的文献中对旋进旋涡流量计压力损失 仅简单叙述为相对7 l 板型等流量计的压力损失要小”，相对其它流量计 的压力损失要大“7 “1 ，或者直接给出个经验公式“”。”川”。从上述的 工作的报导之中可以看出无论从仪表特性，二次仪表的开发还是流体力学 的特性角度对旋进旋涡流量计的研究是非常不够的，旋进旋涡流量计还有 许多需要研究的工作。 第一章绪论 1 2 3 旋进旋涡流量计的特陛川2 川8 1 ( 1 ) 传感器内无机械可动部件，耐腐蚀性好，长期工作故障率低，维 护量小： ( 2 ) 工艺安装条件不苛刻，仪表上、下游直管段较短( 前3 d 、后i d ，d 为仪表管径) ； ( 4 ) 旋涡流的进动频率与介质流速成正比，线性度良好，因此测量精 度较高，量程比宽： ( 5 ) 体积小、重量轻，离线标定较为方便； ( 6 ) 测量信号既可就地显示，也可按需远传； ( 7 ) 旋涡频率只与流速有关，在一定雷诺数下几乎不受被测流体性质 的影响，通用性强，气、液测量可随意切换，其仪表常数不变： 1 3 课题研究的内容 1 3 1 课题选题说明 尽管旋进旋涡流量计有诸多优点，但是它也存在一些不足之处。诸如 旋进旋涡流量计是一种流体振荡式流量计，其振荡频率信号容易被外界振 动源所干扰，由于采取了低频与高频切除措施，该问题己于1 9 9 8 年底解决 “”。另外，在旋涡型流量计中，旋进旋涡流量计的工作原理没有其它旋 涡型流量计的工作原理完善，并且在旋涡型流量计中旋进旋涡流量计的压 力损失相对也大“”“”。但是目前学者和科研人员对旋进旋涡流量计的 分析和研究很大程度集中在信号检测、旋进旋涡流量计的安装和使用上， 至今作者还没有看到有关详细研究旋进旋涡流量计内部结构和压力损失 的文章报导。 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容有以下七个方面： 1 旋进旋涡流量计的发展研究及与其它旋涡型流量计的对比 旋进旋涡流量计是一种新技木流量计，人们对它的了解和认识没有其 它类型流量计的深入，作者为深入研究旋进旋涡流量计，阅读了大量的国 内外文献，掌握发展研究动态，并且对比了旋进旋涡流量计与其它旋涡型 4 第一章绪论 流量计的原理、特性等。 2 旋进旋涡流量计工作原理的探讨 目前，在已经发表的研究旋进旋涡流量计的各类文章中，对旋进旋涡 流量计工作原理多数是文字性的简单描述，有少数文章对其进行了数学推 导，但是也不详尽，点到为止。所以本课题着重探讨了旋进旋涡流量计的 工作原理，并且做了详尽的数学推导。 3 f iu e n t 软件和g a m b i t 绘图软件的应用 f l u e n t 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程 序。目前对c f d 的研究主要是利用f l u e n t 软件进行的，所以作者利用它 研究了优化前后的旋进旋涡流量计的性能，并统计和分析了结果；g a m b i t 绘图软件是最适合f l u e n t 软件的图形和网格的生成工具，它不但可以绘制 研究对象的模型，而且可以划分网格( 对f l u e n t 软件的精确计算非常重 要) ，所以作者利用它绘制了优化前后的旋进旋涡流量计的传感器部分的 模型，并且划分了网格。 4 ，旋进旋涡流量计的旋涡脉动频率与流量之间的关系 作者通过f l u e n t 仿真，验证了在旋进旋涡流量计的测量范围内，旋涡 脉动频率与流量之间的线性关系q = 厂k ，同时作者改变起旋器结构，在 旋进旋涡流量计的测量范围内旋涡脉动频率与流量之间仍然保持着线性 关系，仅k 值发生变化。 5 旋进旋涡流量计压力损失的研究 目前，在已经发表的研究旋进旋涡流量计的各类文章中，对旋进旋涡 流量计压力损失仅简单叙述为相对孔板型等流量计的压力损失要小”， 相对其它流量计的压力损失要大”。1 1 7 1 14 5 1 或者直接给出个经验公式”“ “”。，但压力损失的具体情况，至今作者还未见到相关文章作详尽的描述。 所以本课题以l u y - 5 0 型旋进旋涡流量计为例，利用f l u e n t 软件仿真，通 过选取一些流量值作为采样点对旋进旋涡流量计的压力损失进行了详尽 的研究，并且改变起旋器结构时，对压力损失的具体情况和变化趋势也做 了研究。 6 优化旋进旋涡流量计 目前，作者看到的已经发表的研究旋进旋涡流量计的各类文章中，学 第一章绪论 者和科研人员对旋进旋涡流量计的分析和研究都是在信号检测、旋进旋涡 流量计的安装和使用上。并且各自动化仪表公司生产的不同型号的旋进旋 涡流量计，其不同处都是信号检测方法和二次仪表部分的不同，对于传感 器部分结构变化不大。所以本课题通过大量、反复的f l u e n t 软件仿真分析， 优化了旋进旋涡流量计的传感器部分的结构，从而在降低了旋进旋涡流量 计测量范围下限的同时，还减少了旋进旋涡流量计的压力损失。 7 优化前后的旋进旋涡流量计的实验分析 为了更好的说明旋进旋涡流量计的性能，验证作者在本课题中提出的 创新点和改进方式。作者对优化前后的旋进旋涡流量计做了大量的实验， 并统计和分析了实验数据。 1 3 3 本论文的创新点 本课题的研究有以下3 个创新点，都是已经发表的各类文章中没有涉 及的或没有深入研究的方面： 1 旋进旋涡流量计的工作原理： 对旋进旋涡流量计的工作原理进行了详细地数学推导和明确地文字 表述，为目前旋进旋涡流量计工作原理不完善做了理论补充，提供了理论 依据。 2 旋迸旋涡流量计的压力损失的研究： 对旋进旋涡流量计的压力损失做了详细的研究，明确的给出了旋进旋 涡流量计压力损失的具体情况和变化趋势：a p = kp 驴，d 4 ，与流量的平方 成正比，流量越高压力损失越大，改变起旋器和表体结构时，关系依然是 二次曲线，仅k t 值发生变化。 3 优化旋进旋涡流量计的内部结构： 将起旋器的六片螺旋叶片增加到七片，并且减小了螺旋叶片的入射 角，不但降低了流量测量的下限，从1 0 m 3 h 降低到5 m 3 h ，而且减少了压 力损失。仿真结果：从印= 1 7 5 加2 d 4 减小到卸= 7 8 p q 2 d 4 ；实验结果： 从劫= 2 9 6 p q 2 d 4 减小到印= 1 7 4 4 p q 2 d 4 ，通过改变旋进旋涡流量计起 旋器的结构，提高了它的性能。 6 第一章绪论 1 3 4 论文的安排 1 绪论 本章主要阐述了流量测量在现代工业中的重要性和意义；现代工业中 常用流量计的类型和适用场合；旋进旋涡流量计的发展和研究现状及其特 性；本课题的研究内容以及论文安排。 2 旋进旋涡流量计的理论研究 本章主要分析了旋进旋涡流量计的结构以及各主要部分在旋进旋涡 流量计中的作用；通过简洁的文字和数学公式的推导相结合的方法，对旋 进旋涡流量计一次仪表部分的工作原理做了详尽的探讨分析；对比了旋进 旋涡流量计与涡街流量计的异同。 3 旋进旋涡流量计的数值仿真 本章简单介绍了f l u e n t 软件和g a m b i t 绘图软件；用g a m b i t 绘图工具 画出了旋进旋涡流量计传感器部份的几何模型，并且将其进行了网格划 分，取一些特定流量值分别利用f l u e n t 软件计算出相应的压力和旋涡脉动 周期，得出了旋进旋涡流量计的压力损失和旋涡脉动频率，并用t e c p l o t 后处理软件得出了f l u e n t 软件仿真的结果( 流量与频率、流量与压力损 失) 。 4 优化旋进旋涡流量计 本章主要描述了根据研究优化前的旋进旋涡流量计数值仿真得出的 结果作为依据，通过对旋进旋涡流量计传感器部分的反复设计和研究，并 且都进行了f l u e n t 数值仿真，并统计了结果。根据以上结果优化出性能良 好的旋进旋涡流量计，并且按照第三章的方法对优化后的旋进旋涡流量计 进行了f l u e n t 数值仿真，不但测量的下限更低( 从1 0 m 3 h 降低到5 m 3 h ) ， 而且压力损失更小( 从卸= 1 7 5 艘2 d 4 减小到印= 7 ，8 艘2 d 4 ) 。 5 优化前后旋进旋涡流量计的实验分析 本章简单介绍了实验装置和实验方法：详细描述了优化前后的旋进旋 涡流量计的实验数据和统计分析结果，压力损失从a p = 2 9 6 p q 2 d 4 减小 到a p = 1 7 4 4 p q 2 d4 ；并且对比了用f l u e n t 软件仿真的优化前后的旋进旋 涡流量计的结果。 第一章绪论 6 结论 对本课题的研究成果进行了简单的说明，并对旗进旋涡流量计的 f l u e n t 仿真和实验分析做出了结论。 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 旋进旋涡流量计是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种流体振荡性流量计， 是利用旋涡进动现象进行流量测量的，旋涡进动频率与流体的流量成正 比。旋进旋涡流量计的工作原理：沿着旋进旋涡流量计的轴线做轴向流动 的流体，通过安置在旋进旋涡流量计入口的起旋器( 螺旋叶片) 时，流体 被强迫进行螺旋式旋转运动，于是在起旋器中心产生旋涡流。旋涡流在文 丘里管中旋进，在收缩段中，由于节流使得旋涡流动能增加、流速加大、 压力减小，当旋涡流进入扩散段后，因回流的作用强迫其进行螺旋状进动 ( 类似陀螺的运动) ，进动贴近扩张段壁面进行此时旋涡流的旋转频率和 流体的流速成正比。压电陶瓷检测到微弱的电信号通过前置放大器等处理 就可以得到需要的流量信号。所谓旋涡进动，就是在旋涡流绕自身轴旋转 运动的同时，旋涡流的轴线绕主流轴线旋转运动，并继续随着主流前进， 形成前进运动。发表的文献对旋进旋涡流量计的工作原理多数是文字性的 简单描述，有少数对其进行了数学推导，但是也不详尽，点到为止。作者 在2 2 节中，对它的工作原理做了详尽的数学推导，为以后的研究分析提供 理论依据。 2 1 旋进旋涡流量计的结构 1 起旋器2 表体3 温度传感器入口4 压力传感器入口 5 信号输出口6 压电陶瓷7 温度传感器8 压力传感器9 消旋叶片 图2 1旋进旋涡流量计结构图 9 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 旋进旋涡流量计主要由表体( 文丘里管) 、起旋器( 螺旋叶片) 、消旋 叶片、压电陶瓷、温度及压力传感器等部件组成，其外形结构如图2 1 所 不。 为在下节中能够更好地说明旋进旋涡流量计的工作原理，表2 1 描述 了旋进旋涡流量计主要部件的功能。 表2 1 旋进旋涡流量计主要部件的功能 主要部件名称 功能 起旋器 促使流体围绕轴线做螺旋式旋转运动 表体( 文丘里管)促使旋涡流的动能增加、流速加快，产生旋涡进动 压电陶瓷 检测旋涡流进动的频率信号 消旋叶片消除旋涡流的旋转，使流体平直沿轴线向前流动 2 2 旋迸旋涡流量传感器的工作原理 旋进旋涡流量传感器的工作原理图，如图2 - 2 所示。 ( a ) ( b ) 图2 - 2 旋进旋涡流量传感器的工作原理图 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 在图2 2 ( b ) 中，横截面1 、2 和3 分别表示旋进旋涡流量传感器表 体( 文丘里管) 的收缩段入口、喉部和扩大段结束的横截面。根据体积流 量计算公式q = 州可以得出： q i ：i i j c a i = 掣 玖碣。忙鼍堕 ( 2 一1 ) 式中，9 l 、v 。、4 l 、d 1 和q 2 、v 2 c 、a ：、d 2 分别表示横截面1 和2 处流量、轴向速度、横截面积、横截面处的管径。 根据流体连续性方程可知，流过旋进旋涡流量传感器表体的流量是相 同的，有q = q l = q 2 ，由式( 2 1 ) 得： 9 = 华= 华 由式( 2 2 ) 可得到横截面1 和2 处的流速之比： 图2 - 3 起旋器螺旋叶片入射角示意图 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 中； 盟见 ， i i 鳖 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 设起旋器的螺旋叶片的入射角为d ，如图2 - 3 所示，则： v l c = 堡= v lc o s o e t g 联 v 2 c = 堕：v 2 c o s o t g 口 式中，v ，和v ：，分别表示横截面l 和2 的切向速度。 根据伯努力方程芸+ g z + 旦：c 可以得出： z p ( 2 - 4 ) 孚+ 舻，+ 告= 孚+ 弘：+ 告 c z 删 式中，v ，、z 、p ，和v ：、z 2 、p 2 分别表示横截面l 和2 处的流体流速、 轴线高度、压力。 通常旋进旋涡流量传感器是水平安置的，有z = z ：，所以式( 2 5 ) 可以 转变为： a p = p 2 - p ，：啦剑 将式( 2 - 3 ) 和式( 2 4 ) 代入武( 2 - 6 ) 得 ( 2 - 6 ) a p = p 2 - p l = 嘎笋印 ， 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可以看出，流体流进收缩管道，喉部与收缩段入 口的速度( v 、v 。、v ，) 之比等于收缩段入口与喉部的横截面管径的平方之 比，因此要想得到较高流速的流体，需要减小喉部的管径；由式( 2 - 7 ) 可 以看出，这样必然增加了压力损失。 对于旋迸旋涡流量传感器壳体的扩大段来讲，式( 2 7 ) 可以变为： 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 a p = p 3 - p 2 = 掣疗 c z s ， 流体进入旋进旋涡传感器表体的扩大段，由式( 2 - 8 ) 可知流体受到的 压力增大。旋涡流受到由于压力增大而引起的轴向力f 和与旋进旋涡流量 传感器轴线相垂直的竖直向下的重力g 。重力g 使原来旋涡流的旋转轴 ( 旋进旋涡流量传感器轴线) 发生了偏转。这样，轴向力f 与扩大段中旋 涡流的旋转轴间产生了夹角，轴向力f 对旋涡流产生了转矩t ，如图2 4 所示，因此产生了旋涡迸动现象。 n 高二三硇 一 j _ 、 i r 划 t r 一 312 d b ( a ) 横截面2 旋涡进动现象受力分析主视图 ( b ) 某一时刻流体微团受力分析右视图 图2 4 旋涡进动现象受力分析图 转矩t 是力f 产生的，力f 是由于压力增大引起的，并且与压力变化 成正比“”，则： t = k p ( 2 9 ) 对旋涡现象作者在这里引用了的1 9 7 0 年d i j s t e l b e r g e n 提出的经典理 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 论，基于理论力学陀螺理论，将旋转流量视为转动的刚体进行理论处理”， 但是d i i s t e l b e r g e n 仅做出了定性的分析，没有精确建立流量和进动频率之 间的关系。 设在扩大段中的旋涡流角动量的标量为b ，转动惯量为，旋转角速度 为珊，根据角动量定理，转矩丁与扩大段中的旋涡流角动量b 相垂直，转 矩r 的作用只改变了角动量b 的方向，不改变角动量b 的大小“”，则： ( 2 1o ) 式中，于和云分别为r 和b 的矢量，雪为5 的单位矢量，q 为旋涡进动 角频率。 由式( 2 1 0 ) 得： q ：三 b ( 2 1 1 ) 在扩大段中，因为转矩t 是由轴向力f 产生的，而轴向力f 是由压 力增加产生的，压力增加是因为管路扩张引起的，此刻只想求出角动量b 的 大小，不关心其方向如何变化，前述转矩t 的作用只改变了角动量b 的方 向，不改变角动量b 的大小，在扩大段中角动量b 的大小，数值上等于没 有受到转矩t 时的角动量b 的大小，那么可以通过扩大段中的流体没有受 到转矩t 的角动量大小求出受到转矩t 的角动量大小，既然假设了没有受 到转矩t ，那么轴向力f 、压力增加和管路扩张就不存在，将扩大段看作 管径为喉部管径的直管段来计算，则： 根据角速度定义有： 式中， d 、 ，1 = - 二。 国：堕 ( 2 1 2 ) 哂 6 i i 砸百 6 l 一砸一讲胁 = 1 i 憎 协 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 量。 将式( 21 ) 和式( 2 4 ) 代入式( 2 1 2 ) 中，得 国2 ：q t t g a 冗r ： 根据转动惯量的定义有 ( 2 一1 3 ) ，：f 讲：r ，：咖：r * r 2 p 2 z r 胁：华( z 州) 式中，p 为流体的密度，l 为扩大段的长度，m 为扩大段旋涡流的质 把式( 2 一1 3 ) 和式( 2 一1 4 ) 代入式( 2 1 0 ) 中，得： 6 ：r j q p t g a 令墨= r 2 l i t g a ，则式( 2 1 5 ) 得： b = k i 跏 ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 可以看出，蜀与喉部管径，2 、扩大段的长度， 和起旋器的螺旋叶片入射角口有关，对于确定的旋进旋涡流量传感器来 说，r 2 、z 和口是固定不变的，则世。是比例常数。 在表体的扩大段里，出现了旋涡进动现象，流速v 与轴向速度v ，闻的 夹角已经不是g ，设旋涡流的流速v 与旋涡流的进动方向速度间的夹角 为妒，旋涡流的进动方向速度v 。与轴向速度v ，间的夹角为疗，基本上0 等 于表体扩大段的扩大角口“”，如图2 5 所示。 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 乃( j 珞气妒 r v c 弋 23 图2 - 5 扩大段速度矢量图 在图2 - 2 ( b ) 中，喉部与扩张段衔接处，即横截面2 ，此处速度v ：及 其各方向分量如图2 - 5 。 根据图2 5 ，可以得出速度v ：与各速度分量之间的关系，如式( 2 - 1 7 ) 所示。 v ：上l ：竺瞧 2 s i n s i n 庐 2 痢 v g = v c 万呼 式中，v ，是与旋涡流的进动方向速度v g 相垂直的v ：的分量。 将式( 2 1 3 ) 和式( 2 一1 7 ) 代入式( 2 8 ) 中，得： 印= 盟2 1 r 2r啤愕21r s i n e 3 将式( 2 - 9 ) 、式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 - 1 8 ) 代入式( 2 - 1 1 ) 中，得 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 第二二章旋进旋涡流量计的理论探讨 q = * t2 l r ? 年s i n 庐f 7 s i n 一甜q 。3 令占=jkt，96r。2、t一势帅一9。7 - q 一 2w s i n e 、r s 旋涡进动频率，：旦：三q 2 厅2 7 ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 由式( 2 一1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 可以看出，占与喉部管径n 、扩大段的长度，、 扩大段的出1 ：3 管径 、起旋器的螺旋叶片入射角口有关，对于确定的旋进 旋涡流量传感器来说，、 、，和口是固定不变的，则占是比例常数。旋 涡流的进动频率与流体的密度和粘度无关，仅与流量成正比。因此旋迸旋 涡流量计不仅可以测量不同密度和粘度的气体，同时可以测量不同密度和 粘度的液体，而且使用气体进行标定后，可直接应用于液体的测量，反之 亦然。 2 3 旋进旋涡流量计与涡街流量计的异同 旋进旋涡流量计和涡街流量计都属于流体振动式流量计。它们之间存 在着非常微妙的关系，为了更加明确地说明两者之间的关系，本节介绍了 旋进旋涡流量计与涡街流量计的共同点和不同点。 2 3 1 旋进旋涡流量计和涡街流量计的共同点： 1 依据检测到与流量成正比的频率信号计算流量； 2 都是流体自激振荡i 3 没有机械的可动部件使得流量计在使用中不存在机械磨损 4 检测流体的流量变化范围宽、量程比宽； 5 几乎不受流体的密度、温度和压力对流量计的影响； 2 3 2 旋进旋涡流量计和涡街流量计的不同点： 1 结构不同： 第二章旋进旋涡流量计的理论探讨 旋涡发生体的位置和形状不同，旋进旋涡流量计的起旋器( 旋涡发 生体) 是螺旋式叶片，装在壳体的入口处；涡街流量计的旋涡发生体是圆 柱形、三角形或梯形等，装在壳体的中间。 旋进旋涡流量计的表体是文丘里管：涡街流量计的表体是直管段。 2 原理不同： 与流量相关的频率f 的产生方式不同，旋进旋涡流量计的频率f 是旋 涡流在扩张管道内产生旋涡进动的频率f 涡街流量计的频率f 是流体通 过旋涡发生体产生旋涡流的旋涡发生频率f 。 3 适用范围不同： 对于测量气体的流量来讲，气体的密度小，振动强度也小，尤其是在 测量中小流量的气体时，涡街流量计就不能很好地检测出气体的流量信 号，而旋进旋涡流量计的入口处有一个起旋器，使气体加速旋转，然后又 在扩张管道内产生较强的进动，从而产生较强的振动，因此在测量中小流 速的气体时用旋进旋涡流量计较为合适；对于测量液体的流量来讲，液体 的密度较大，一般是气体密度的1 0 0 0 倍以上，其振动强度也是气体振动 强度的1 0 0 0 倍以上，因此即使液体在中低流速的情况下，涡街流量计也 能较好的检测出液体的流量信号，同时涡街流量计的压力损失小，这样就 没有必要使用旋进旋涡流量计，所以测量液体时一般用涡街流量计。 4 ，其它： 旋进旋涡流量计的压力损失比涡街流量计的压力损失大的多，前者约 为后者的4 5 倍；旋进旋涡流量计抗来流干扰能力强，所需直管段长度 要比涡街流量计短得多。 第三章旋进旋涡流量计的数值仿真 第三章旋进旋涡流量计的数值仿真 目前采用计算流体力学( c f d ) 方法进行工程问题的研究已有成熟的 商用软件，主要有f l u e n t 、c f x 、p h o e n i x 、a n s y s f l o t r a n 和t e c p l o t 等软 件。其中，f l u e n t 由于功能强大、运用灵活，是使用率最高的软件。作者 在本课题中选用了f l u e n t 软件对旋进旋涡流量计的流场进行了数值仿真 研究。 3 1f iu e n t 软件的简单介绍 f l u e n t 是一种优秀的通过计算来模拟从不可压流到中等可压流乃至高 度可压流范围的复杂几何区域内流体流动、换热情况的计算流体力学( c f d ) 软件。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能 达到最佳的收敛精度。灵活的非结构网格和基于求解精度的自适应网格及 成熟的物理模型，使f l u e n t 在层流和湍流、传热、化学反应和多相流领域 取得了显著成效。 为了明确地描述f l u e n t 软件的计算步骤，在本节作者用图表的方式给 出，如图3 一l 所示。 g 。0 i t 妯y h 曲 图3 1f l u e n t 软件组织结构图 1 9 第三章旋进旋涡流量计的数值仿真 从图3 一l 中可以看出，在应用f l u e n t 计算流体之前，必须建立物体的几 何模型，并将其进行网格划分。而g a m b i t 是目前对于f l u e n t 最理想的构造 和网格模型的前置处理器软件。它是面向c f d 的专业前处理器软件，包括 先进的几何建模和网格划分方法。借助功能灵活，完全集成的和易于操作 的界面，g a m b i t 可以显著减少c f d 应用中的前置处理时阃。复杂的模型可 直接采用g a m b i t 固有乙何模块生成，可以在g a m b i t 内直接建立点、线、面、 体几何，也可以从主流的c a d c a e 系统( 如p r 0 e 、u g i i 、i d e a s 、c a t i a 、 s o l i d w o r k s 、a n s y s 、p a t r a n ) 导入几何和网格模型，高度自动化 的网格生成工具保证了最佳的网格生成如结构化的、非结构化的、多块 的、或混合网格，其强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极 大的方便。故作者在本课题选用了g a m b i t 绘图软件。 3 2 旋进旋涡流量传感器几何模型的建立 通常旋进旋涡流量计的一次仪表被称为旋进旋涡流量传感器。流体流 过旋进旋涡流量计时，由于二次仪表主要是由硬件电路和软件程序组成， 其作用就是处理接受的信号，流体在流场中的运动情况只与一次仪表有 关，所以只需要建立旋进旋涡流量传感器的几何模型即可。 旋进旋涡流量传感器的结构如图2 一l 所示，由于结构复杂，直接在 g a m b i t 中作图非常困难，所以作者在本课题中把旋进旋涡流量传感器划分 成3 个部分( 表体、起旋器、消旋叶片) ，分别绘出了各个部分的几何模 型，然后利用