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BURKERT流量计的原理探讨和结构优化
BURKERT流量计进行了研究,获得了流量计内部流场信息,验证了在流量计工作范围内旋涡进动频率与流量之间良好的线性关系.重点对几种旋进旋涡流量计结构改进优化方案进行了仿真分析,这些结构优化方案包括在旋进旋涡流量计起旋器入口加装导流叶片、改变扩张段的扩张角和改变收缩比.结果发现,加装导流叶片可以减小流量计压力损失,并可增加涡核的旋转强度,使得检测信号的强度得到增强,从而扩展了测量下限;收缩比和扩张角过大和过小对于流量计都不利,存在一个值.
　BURKERT流量计是根据旋涡进动现象设计的一种流体振荡式流量计,具有流量范围宽、无可动部件、不易腐蚀、可靠性高、安装使用方便、直管段要求短等,适用于石油、蒸汽、天然气、水等多种介质的流量测量[1].20世纪70年代,Dijsbergen[2]对旋进旋涡流量计进行了比较全面的实验研究,验证了该流量计线性输出特性,并且发现该流量计不易受介质黏度和密度影响,指出了旋进旋涡流量计在高压气体测量方面商业化应用前景.Furio和Gianfranco[3]对旋进旋涡流量计做了实际工况下的仪表特征测试,探索该流量计在计量域应用的可行性.旋进旋涡流量计工作时振荡频率信号容易被外界振动与流体脉动噪声所干扰[4],对此宋开臣和傅新[5,6]提出安装对称两个压力信号探头,相位差180°,用信号差分处理提高旋进旋涡流量计抗干扰能力,取得了良好效果.
　　对于BURKERT流量计内部流动特性及流量计改进方面,科研人员也进行了一定探索.彭杰纲等人[7-9]对旋进旋涡流量计内部流场进行了数值模拟分析,研究了旋涡进动效应流场的演变情况,分析了流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应的影响.张涛等人[10]采用数值方针的方法对旋进旋涡流量计的结构进行了优化,使得流量计的压力损失有了一定减小.何馨雨等[11]对旋进旋涡内部流场进行了数值模拟分析,获得了比较全面的流场信息,对这种流量计的内部流动特性有了更加深入的理解.
　　目前,BURKERT流量计应用中还存在压损较大、下限流量(始动流量)偏大、系列设计缺乏理论依据等问题.本文借助流体力学数值仿真的方法对旋进旋涡流量计的结构参数做了系统研究,分析了旋进旋涡流量计压力损失情况和输出信号.文中采用导流叶片来降低压损,提高流量计,还着重考虑针对起旋器叶片数量、扩张角度等参数进行的优化研究.希望通过此项研究工作能够为旋进旋涡流量计的设计开发提供理论上的支持.
　　BURKERT流量计工作原理与结构优化研究方案　　
        1.1　工作原理
 　　BURKERT流量计主要由起旋器、文丘里管、消旋器和检测传感器组成,其结构原理如图1.
　　BURKERT流量计是基于旋涡进动现象工作的[12].流体流入旋进旋涡流量计后,通过一组由固定螺旋形叶片组成的起旋器后被强制旋转,使流体形成旋涡流.旋涡为“涡核”是流体旋转运动速度很高的区域,其外围是环流.流体流经收缩段时旋涡加速,沿流动方向涡核直径逐渐缩小,而强度逐渐加强.此时涡核与流量计的轴线相一致.当进入扩大段后,旋涡急剧减速,压力上升,区域的压力比周围的压力低,于是产生了局部回流.在回流作用下,涡核偏离轴像刚体一样在扩张段壁面做螺旋进动,并且是围绕轴进行的.进动频率与流体的流速成正比.因此,测得旋进旋涡的频率即能反映流速和体积流量的大小.
　　1.2　结构优化方案
 　　BURKERT流量计压损大、小流量信号弱等问题,提出了结构改进和参数优化研究方案.改进对象为一个DN50气体旋进旋涡流量计,其内部结构和寸见图2.流量计长度为232 mm,入口管径50 mm,收缩段长度94.2 mm,发展段管径为36 mm、长度为35.8 mm,扩张段长为12 mm,扩张角度为60°.具体改进和参数优化研究如下:
　　1)起旋器入口加装导流叶片段.原有起旋器叶片在入口段没有导流部分(图1),叶片与来流之间夹角为60°,来流不是切向进入,会造成严重的流动分离.流动分离使得流动扰动和流动阻力增大.因此,改进方案中考虑把原来起旋器叶片延长并作弯曲使得入口与来流夹角为0°,即流动切向进入,以期改善流动状态.
　　2)起旋器叶片数量增加.起旋器原来的叶片数量是6片,考虑增加1片(图3b),同时为了流动面积不减小,将叶片厚度由2.5 mm变为1.5 mm(当前加工能力能够做到).螺旋角度保持不变,仍为30°.