BURKERT流量計的原理探討和結構優(yōu)化
BURKERT流量計進(jìn)行了研究,獲得了流量計內部流場(chǎng)信息,驗證了在流量計工作范圍內旋渦進(jìn)動(dòng)頻率與流量之間良好的線(xiàn)性關(guān)系.重點(diǎn)對幾種旋進(jìn)旋渦流量計結構改進(jìn)優(yōu)化方案進(jìn)行了仿真分析,這些結構優(yōu)化方案包括在旋進(jìn)旋渦流量計起旋器入口加裝導流葉片、改變擴張段的擴張角和改變收縮比.結果發(fā)現,加裝導流葉片可以減小流量計壓力損失,并可增加渦核的旋轉強度,使得檢測信號的強度得到增強,從而擴展了測量下限;收縮比和擴張角過(guò)大和過(guò)小對于流量計都不利,存在一個(gè)值.
　BURKERT流量計是根據旋渦進(jìn)動(dòng)現象設計的一種流體振蕩式流量計,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)的流量測量[1].20世紀70年代,Dijsbergen[2]對旋進(jìn)旋渦流量計進(jìn)行了比較全面的實(shí)驗研究,驗證了該流量計線(xiàn)性輸出特性,并且發(fā)現該流量計不易受介質(zhì)黏度和密度影響,指出了旋進(jìn)旋渦流量計在高壓氣體測量方面商業(yè)化應用前景.Furio和Gianfranco[3]對旋進(jìn)旋渦流量計做了實(shí)際工況下的儀表特征測試,探索該流量計在計量域應用的可行性.旋進(jìn)旋渦流量計工作時(shí)振蕩頻率信號容易被外界振動(dòng)與流體脈動(dòng)噪聲所干擾[4],對此宋開(kāi)臣和傅新[5,6]提出安裝對稱(chēng)兩個(gè)壓力信號探頭,相位差180°,用信號差分處理提高旋進(jìn)旋渦流量計抗干擾能力,取得了良好效果.
　　對于BURKERT流量計內部流動(dòng)特性及流量計改進(jìn)方面,科研人員也進(jìn)行了一定探索.彭杰綱等人[7-9]對旋進(jìn)旋渦流量計內部流場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬分析,研究了旋渦進(jìn)動(dòng)效應流場(chǎng)的演變情況,分析了流場(chǎng)干擾對旋進(jìn)旋渦流量計流場(chǎng)進(jìn)動(dòng)效應的影響.張濤等人[10]采用數值方針的方法對旋進(jìn)旋渦流量計的結構進(jìn)行了優(yōu)化,使得流量計的壓力損失有了一定減小.何馨雨等[11]對旋進(jìn)旋渦內部流場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬分析,獲得了比較全面的流場(chǎng)信息,對這種流量計的內部流動(dòng)特性有了更加深入的理解.
　　目前,BURKERT流量計應用中還存在壓損較大、下限流量(始動(dòng)流量)偏大、系列設計缺乏理論依據等問(wèn)題.本文借助流體力學(xué)數值仿真的方法對旋進(jìn)旋渦流量計的結構參數做了系統研究,分析了旋進(jìn)旋渦流量計壓力損失情況和輸出信號.文中采用導流葉片來(lái)降低壓損,提高流量計,還著(zhù)重考慮針對起旋器葉片數量、擴張角度等參數進(jìn)行的優(yōu)化研究.希望通過(guò)此項研究工作能夠為旋進(jìn)旋渦流量計的設計開(kāi)發(fā)提供理論上的支持.
　　BURKERT流量計工作原理與結構優(yōu)化研究方案　　
        1.1　工作原理
 　　BURKERT流量計主要由起旋器、文丘里管、消旋器和檢測傳感器組成,其結構原理如圖1.
　　BURKERT流量計是基于旋渦進(jìn)動(dòng)現象工作的[12].流體流入旋進(jìn)旋渦流量計后,通過(guò)一組由固定螺旋形葉片組成的起旋器后被強制旋轉,使流體形成旋渦流.旋渦為“渦核”是流體旋轉運動(dòng)速度很高的區域,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,而強度逐漸加強.此時(shí)渦核與流量計的軸線(xiàn)相一致.當進(jìn)入擴大段后,旋渦急劇減速,壓力上升,區域的壓力比周?chē)膲毫Φ?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　結構優(yōu)化方案
 　　BURKERT流量計壓損大、小流量信號弱等問(wèn)題,提出了結構改進(jìn)和參數優(yōu)化研究方案.改進(jìn)對象為一個(gè)DN50氣體旋進(jìn)旋渦流量計,其內部結構和寸見(jiàn)圖2.流量計長(cháng)度為232 mm,入口管徑50 mm,收縮段長(cháng)度94.2 mm,發(fā)展段管徑為36 mm、長(cháng)度為35.8 mm,擴張段長(cháng)為12 mm,擴張角度為60°.具體改進(jìn)和參數優(yōu)化研究如下:
　　1)起旋器入口加裝導流葉片段.原有起旋器葉片在入口段沒(méi)有導流部分(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(cháng)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)起旋器葉片數量增加.起旋器原來(lái)的葉片數量是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(當前加工能力能夠做到).螺旋角度保持不變,仍為30°.