BURKERT流量計(jì)的原理探討和結(jié)構(gòu)優(yōu)化
BURKERT流量計(jì)進(jìn)行了研究,獲得了流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)信息,驗(yàn)證了在流量計(jì)工作范圍內(nèi)旋渦進(jìn)動(dòng)頻率與流量之間良好的線性關(guān)系.重點(diǎn)對(duì)幾種旋進(jìn)旋渦流量計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化方案進(jìn)行了仿真分析,這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案包括在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)起旋器入口加裝導(dǎo)流葉片、改變擴(kuò)張段的擴(kuò)張角和改變收縮比.結(jié)果發(fā)現(xiàn),加裝導(dǎo)流葉片可以減小流量計(jì)壓力損失,并可增加渦核的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度,使得檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度得到增強(qiáng),從而擴(kuò)展了測(cè)量下限;收縮比和擴(kuò)張角過(guò)大和過(guò)小對(duì)于流量計(jì)都不利,存在一個(gè)值.
　BURKERT流量計(jì)是根據(jù)旋渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象設(shè)計(jì)的一種流體振蕩式流量計(jì),具有流量范圍寬、無(wú)可動(dòng)部件、不易腐蝕、可靠性高、安裝使用方便、直管段要求短等,適用于石油、蒸汽、天然氣、水等多種介質(zhì)的流量測(cè)量[1].20世紀(jì)70年代,Dijsbergen[2]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行了比較全面的實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了該流量計(jì)線性輸出特性,并且發(fā)現(xiàn)該流量計(jì)不易受介質(zhì)黏度和密度影響,指出了旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在高壓氣體測(cè)量方面商業(yè)化應(yīng)用前景.Furio和Gianfranco[3]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)做了實(shí)際工況下的儀表特征測(cè)試,探索該流量計(jì)在計(jì)量域應(yīng)用的可行性.旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作時(shí)振蕩頻率信號(hào)容易被外界振動(dòng)與流體脈動(dòng)噪聲所干擾[4],對(duì)此宋開(kāi)臣和傅新[5,6]提出安裝對(duì)稱兩個(gè)壓力信號(hào)探頭,相位差180°,用信號(hào)差分處理提高旋進(jìn)旋渦流量計(jì)抗干擾能力,取得了良好效果.
　　對(duì)于BURKERT流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)特性及流量計(jì)改進(jìn)方面,科研人員也進(jìn)行了一定探索.彭杰綱等人[7-9]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究了旋渦進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)的演變情況,分析了流場(chǎng)干擾對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)流場(chǎng)進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的影響.張濤等人[10]采用數(shù)值方針的方法對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,使得流量計(jì)的壓力損失有了一定減小.何馨雨等[11]對(duì)旋進(jìn)旋渦內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,獲得了比較全面的流場(chǎng)信息,對(duì)這種流量計(jì)的內(nèi)部流動(dòng)特性有了更加深入的理解.
　　目前,BURKERT流量計(jì)應(yīng)用中還存在壓損較大、下限流量(始動(dòng)流量)偏大、系列設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)等問(wèn)題.本文借助流體力學(xué)數(shù)值仿真的方法對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)做了系統(tǒng)研究,分析了旋進(jìn)旋渦流量計(jì)壓力損失情況和輸出信號(hào).文中采用導(dǎo)流葉片來(lái)降低壓損,提高流量計(jì),還著重考慮針對(duì)起旋器葉片數(shù)量、擴(kuò)張角度等參數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化研究.希望通過(guò)此項(xiàng)研究工作能夠?yàn)樾M(jìn)旋渦流量計(jì)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論上的支持.
　　BURKERT流量計(jì)工作原理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究方案　　
        1.1　工作原理
 　　BURKERT流量計(jì)主要由起旋器、文丘里管、消旋器和檢測(cè)傳感器組成,其結(jié)構(gòu)原理如圖1.
　　BURKERT流量計(jì)是基于旋渦進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象工作的[12].流體流入旋進(jìn)旋渦流量計(jì)后,通過(guò)一組由固定螺旋形葉片組成的起旋器后被強(qiáng)制旋轉(zhuǎn),使流體形成旋渦流.旋渦為“渦核”是流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度很高的區(qū)域,其外圍是環(huán)流.流體流經(jīng)收縮段時(shí)旋渦加速,沿流動(dòng)方向渦核直徑逐漸縮小,而強(qiáng)度逐漸加強(qiáng).此時(shí)渦核與流量計(jì)的軸線相一致.當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)大段后,旋渦急劇減速,壓力上升,區(qū)域的壓力比周圍的壓力低,于是產(chǎn)生了局部回流.在回流作用下,渦核偏離軸像剛體一樣在擴(kuò)張段壁面做螺旋進(jìn)動(dòng),并且是圍繞軸進(jìn)行的.進(jìn)動(dòng)頻率與流體的流速成正比.因此,測(cè)得旋進(jìn)旋渦的頻率即能反映流速和體積流量的大小.
　　1.2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
 　　BURKERT流量計(jì)壓損大、小流量信號(hào)弱等問(wèn)題,提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化研究方案.改進(jìn)對(duì)象為一個(gè)DN50氣體旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寸見(jiàn)圖2.流量計(jì)長(zhǎng)度為232 mm,入口管徑50 mm,收縮段長(zhǎng)度94.2 mm,發(fā)展段管徑為36 mm、長(zhǎng)度為35.8 mm,擴(kuò)張段長(zhǎng)為12 mm,擴(kuò)張角度為60°.具體改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化研究如下:
　　1)起旋器入口加裝導(dǎo)流葉片段.原有起旋器葉片在入口段沒(méi)有導(dǎo)流部分(圖1),葉片與來(lái)流之間夾角為60°,來(lái)流不是切向進(jìn)入,會(huì)造成嚴(yán)重的流動(dòng)分離.流動(dòng)分離使得流動(dòng)擾動(dòng)和流動(dòng)阻力增大.因此,改進(jìn)方案中考慮把原來(lái)起旋器葉片延長(zhǎng)并作彎曲使得入口與來(lái)流夾角為0°,即流動(dòng)切向進(jìn)入,以期改善流動(dòng)狀態(tài).
　　2)起旋器葉片數(shù)量增加.起旋器原來(lái)的葉片數(shù)量是6片,考慮增加1片(圖3b),同時(shí)為了流動(dòng)面積不減小,將葉片厚度由2.5 mm變?yōu)?.5 mm(當(dāng)前加工能力能夠做到).螺旋角度保持不變,仍為30°.