BURKERT流量計的原理探討和結構優化
BURKERT流量計進行了研究,獲得了流量計內部流場信息,驗證了在流量計工作范圍內旋渦進動頻率與流量之間良好的線性關系.重點對幾種旋進旋渦流量計結構改進優化方案進行了仿真分析,這些結構優化方案包括在旋進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;收縮比和擴張角過大和過小對于流量計都不利,存在一個值.
　BURKERT流量計是根據旋渦進動現象設計的一種流體振蕩式流量計,具有流量范圍寬、無可動部件、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、水等多種介質的流量測量[1].20世紀70年代,Dijsbergen[2]對旋進旋渦流量計進行了比較全面的實驗研究,驗證了該流量計線性輸出特性,并且發現該流量計不易受介質黏度和密度影響,指出了旋進旋渦流量計在高壓氣體測量方面商業化應用前景.Furio和Gianfranco[3]對旋進旋渦流量計做了實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.旋進旋渦流量計工作時振蕩頻率信號容易被外界振動與流體脈動噪聲所干擾[4],對此宋開臣和傅新[5,6]提出安裝對稱兩個壓力信號探頭,相位差180°,用信號差分處理提高旋進旋渦流量計抗干擾能力,取得了良好效果.
　　對于BURKERT流量計內部流動特性及流量計改進方面,科研人員也進行了一定探索.彭杰綱等人[7-9]對旋進旋渦流量計內部流場進行了數值模擬分析,研究了旋渦進動效應流場的演變情況,分析了流場干擾對旋進旋渦流量計流場進動效應的影響.張濤等人[10]采用數值方針的方法對旋進旋渦流量計的結構進行了優化,使得流量計的壓力損失有了一定減小.何馨雨等[11]對旋進旋渦內部流場進行了數值模擬分析,獲得了比較全面的流場信息,對這種流量計的內部流動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(始動流量)偏大、系列設計缺乏理論依據等問題.本文借助流體力學數值仿真的方法對旋進旋渦流量計的結構參數做了系統研究,分析了旋進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降低壓損,提高流量計,還著重考慮針對起旋器葉片數量、擴張角度等參數進行的優化研究.希望通過此項研究工作能夠為旋進旋渦流量計的設計開發提供理論上的支持.
　　BURKERT流量計工作原理與結構優化研究方案　　
        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動現象工作的[12].流體流入旋進旋渦流量計后,通過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”是流體旋轉運動速度很高的區域,其外圍是環流.流體流經收縮段時旋渦加速,沿流動方向渦核直徑逐漸縮小,而強度逐漸加強.此時渦核與流量計的軸線相一致.當進入擴大段后,旋渦急劇減速,壓力上升,區域的壓力比周圍的壓力低,于是產生了局部回流.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動,并且是圍繞軸進行的.進動頻率與流體的流速成正比.因此,測得旋進旋渦的頻率即能反映流速和體積流量的大小.
　　1.2　結構優化方案
 　　BURKERT流量計壓損大、小流量信號弱等問題,提出了結構改進和參數優化研究方案.改進對象為一個DN50氣體旋進旋渦流量計,其內部結構和寸見圖2.流量計長度為232 mm,入口管徑50 mm,收縮段長度94.2 mm,發展段管徑為36 mm、長度為35.8 mm,擴張段長為12 mm,擴張角度為60°.具體改進和參數優化研究如下:
　　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有導流部分(圖1),葉片與來流之間夾角為60°,來流不是切向進入,會造成嚴重的流動分離.流動分離使得流動擾動和流動阻力增大.因此,改進方案中考慮把原來起旋器葉片延長并作彎曲使得入口與來流夾角為0°,即流動切向進入,以期改善流動狀態.
　　2)起旋器葉片數量增加.起旋器原來的葉片數量是6片,考慮增加1片(圖3b),同時為了流動面積不減小,將葉片厚度由2.5 mm變為1.5 mm(當前加工能力能夠做到).螺旋角度保持不變,仍為30°.