涡轮流量计前导流件有限元计算分析

　　0 前言

　　涡轮流量计是速度式流量计的一种。由于涡轮流量计具有精度高、重复性好、量程比高、无零点漂移等优点，近年来发展迅猛。其中，前导流件是涡轮流量计的重要部件之一。现有资料中对涡轮流量计前导流部分研究较少。本文拟运用 NX THERMAL/FLOW求解器计算前导流部分中的前导流件对入口流体的阻滞作用和叶片处流体运动情况，进而分析前导流件的尾迹区部位和叶片形状结构，为前导流件和流量计的结构优化设计提供参考。

　　1 涡轮流量计结构原理与前导流件作用

　　1. 1 涡轮流量计结构与原理

　　涡轮流量计由壳体、前导流件、涡轮、磁电感应转换器、后导流件等部分组成，如图 1 所示。流体流过管道，通过前导流件导流，冲击涡轮叶片，克服摩擦力矩和流体阻力使叶片产生转动力矩，叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，转速与流速成正比，旋转的涡轮叶片切割磁力线，周期性地改变着线圈的磁通量，使线圈两端感应出连续的矩形脉冲波，测出工作状态下流体的瞬时流量。

　　1. 2 前导流件作用

　　前导流件在涡轮流量计中主要有以下三个作用:①支撑作用。在流量计安装过程中对叶轮起支撑定位作用。②导向作用。流体进入导流器后，经导流叶片导流，减少流体自旋对涡轮作用角度的影响。③加速减压作用。气流在前导流件处应导流件的截面收缩作用而加速，压力减小，防止由于低速高压产生流动分离导致大的涡旋运动。

　　2 计算方法与模型选择简化

　　2. 1 流态确定

　　计算流体力学中，采用雷诺数 Re 大小来判断层流还是湍流

式中: L 为流体流束中的物体任意有代表性的长度;u 为流体流速; η 为动力粘度; ρ 为流体密度。

　　在涡轮流量计中，由于入口导流体的叶片导流作用，流体运动轨迹发生剧烈变化，Re >4000，局部压强、速度出现随机性脉动，故采用湍流模型。

　　2. 2 湍流模型选择与简化

　　数值计算时必须建立合理的湍流运动简化模型。连续性方程:

　　方程 ( 2) 中: u 是流体运动速度 ( i，j 代表方向) ;Sm为源项。方程 ( 3) 中: E 是代数项; τij是应力张量; gi是 i 向重力体积; Fi是外部体积力。方程( 4) 中: p 是静压; 右边前三项分别是导热项、组分扩散项、粘性耗散项，Sh为热源项。

　　连续性方程、动量方程、能量方程是描述流体运动特性的基本控制方程组。运用上述三式估算水流速度幅值并分别与采用 K-Epsilon、K-Omega、切应力传输-SST 模型得出的实际流速对比，最终确定选用与理论值符合度最好的切应力传输-SST 模型进行有限元计算分析。