引言

渦輪流量計(jì)是一種可靠的，用于測(cè)量流體流量的儀表。石油、化工領(lǐng)域大量使用渦輪流量計(jì)測(cè)量輸運(yùn)天然氣、燃料油和烴類流體的流量，渦輪流量計(jì)的準(zhǔn)確度對(duì)于涉及能源的貿(mào)易交接非常重要。自從1790年ReinhardWoltman使用非常好臺(tái)三暢渦輪流量計(jì)測(cè)量水流量以來(lái)，渦輪流量計(jì)經(jīng)歷了許多變化和改進(jìn)，仍然被認(rèn)為是一種準(zhǔn)確且穩(wěn)定的工業(yè)儀表[1]，在穩(wěn)定條件下，液體渦輪流量計(jì)的準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.1%，氣體渦輪流量計(jì)的準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.5%[2]。

 

通常情況下，計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)或校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室使用某一種流體(一般是水)校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)，而實(shí)際被測(cè)對(duì)象常常是另外一種介質(zhì)。即使校準(zhǔn)和工作場(chǎng)合中使用同一種介質(zhì)，液體的運(yùn)動(dòng)粘度易受溫度變化影響，渦輪流量計(jì)性能會(huì)有較大的差異，需要增加額外的校準(zhǔn)工作。例如，在油品或烴類介質(zhì)的貿(mào)易交接中，如果更換了管道中的介質(zhì)或介質(zhì)的物性發(fā)生較大變化，都要對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)重新校準(zhǔn)[3]。

 

以往的研究表明，渦輪流量計(jì)在低粘度流體(1mm2/s及以下)和高粘度流體((50～100)mm2/s)下的標(biāo)定曲線形態(tài)有很大不同[4]。雖然對(duì)此已有很多研究和報(bào)道[5]，但粘度影響渦輪流量計(jì)性能的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理仍未被完全理解[6]。已經(jīng)發(fā)表的渦輪流量計(jì)物理模型大多基于動(dòng)量和氣翼理論，但這些模型都依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正，還沒(méi)有一個(gè)經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證的物理模型能夠充分解釋渦輪流量計(jì)的輸出響應(yīng)以及標(biāo)定曲線的變化細(xì)節(jié)[7][8]。

 

近年來(lái)，研究者借助計(jì)算流體力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)模擬研究了流量計(jì)內(nèi)部的流場(chǎng)，分析影響渦輪機(jī)流量計(jì)準(zhǔn)確度的因素，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)提高流量計(jì)的性能[9]。孫立軍等[10]提出一種針對(duì)液體渦輪流量計(jì)葉輪的多參數(shù)定量?jī)?yōu)化方法，以減少粘度對(duì)傳感器特性的影響。Guo等[6]根據(jù)CFD軟件計(jì)算得到的流場(chǎng)信息解釋流體粘度變化影響傳感器性能的機(jī)制。Saboohi等[11]在其提出的數(shù)值模型中考慮了軸

承阻力矩，通過(guò)CFD計(jì)算預(yù)測(cè)渦輪流量計(jì)的性能。孫宏軍等[12]通過(guò)CFD模擬分析了上游整流件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)渦輪流量計(jì)性能的影響，并提出了整流件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。Guo等[13]定義了一個(gè)表征葉輪葉片形狀的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)CFD模擬分析渦輪流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)，解釋葉片結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響機(jī)制。

 

上述研究都是基于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力矩平衡，通過(guò)改變流體物性計(jì)算相應(yīng)的流場(chǎng)信息，進(jìn)而得到流量計(jì)的輸出響應(yīng)。相較而言，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究?jī)x表系數(shù)和標(biāo)定曲線的演化規(guī)律，人們能夠更直觀地了解儀表對(duì)實(shí)際工況的響應(yīng)。本文基于動(dòng)量方法的基本表達(dá)式，應(yīng)用量綱分析導(dǎo)出雷諾數(shù)(Reynoldsnumber,Re)和斯特勞哈爾數(shù)(Strouhalnumber,St)作為描述渦輪流量計(jì)性能的無(wú)量綱參數(shù)。分別使用五種運(yùn)動(dòng)粘度((1.02~30)mm2/s)介質(zhì)標(biāo)定一臺(tái)DN25三暢渦輪流量計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了受粘度變化影響的儀表系數(shù)在低雷諾數(shù)區(qū)域出現(xiàn)明顯差異，以及由于層湍轉(zhuǎn)捩時(shí)阻力變化所導(dǎo)致的駝峰形標(biāo)定曲線在粘度影響下的分布規(guī)律。

 

1、研究對(duì)象及其出廠標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖1所示的是一臺(tái)8個(gè)葉片的DN25渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。流量計(jì)的量程范圍是(0.6~12)m3/h。為了使該流量計(jì)適用于多種粘度介質(zhì)，制造商在出廠標(biāo)定時(shí)使用五種烴類介質(zhì)，標(biāo)定結(jié)果用體積流量qv和儀表系數(shù)K表示(如圖2所示)。相對(duì)于低粘度介質(zhì)，高粘度介質(zhì)((28~788)mm2/s)下的儀表系數(shù)與體積流量呈現(xiàn)高度非線性。標(biāo)定曲線隨粘度的改變出現(xiàn)偏移，流量越小，偏移量越大，以運(yùn)動(dòng)粘度ν=1.09mm2/s的儀表系數(shù)為參考，體積流量qv=1.2m3/h時(shí)其余四個(gè)粘度的儀表系數(shù)分別偏移0.5%、2.6%、14.6%和50.3%，可見(jiàn)qv–K標(biāo)定曲線并不適用，需要重新選擇兩個(gè)參數(shù)分別代表來(lái)流的標(biāo)準(zhǔn)值和流量計(jì)的輸出響應(yīng)。為此，對(duì)渦輪流量計(jì)物理模型的表達(dá)式作量綱分析。

2、量綱分析

作為體積流量的直接體現(xiàn)，渦輪流量計(jì)的旋轉(zhuǎn)角速度ω和通過(guò)流量計(jì)區(qū)域的流速V成正比。理想情況下的流量計(jì)儀表系數(shù)Ki是一個(gè)常數(shù)，由流量計(jì)的幾何形狀和尺寸決定，與實(shí)際流量或流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即

式中，A是流量計(jì)葉片進(jìn)口處的流道截面積，N是葉片數(shù)，qv是體積流量，r是葉片邊緣處的半徑和輪轂半徑的均方根，即平均有效半徑，β是r對(duì)應(yīng)的葉片角度。實(shí)際情況下，葉片受到的阻滯力矩Tr使轉(zhuǎn)子實(shí)際旋轉(zhuǎn)角速度ω低于理想角速度ωi，于是，實(shí)際儀表系數(shù)K為：

式中，ρ是流體的密度。將式(1)轉(zhuǎn)化為頻率f的表達(dá)式：

量綱分析的非常好步是從所研究方程中確定合適的變量，第二步是選擇π方程的基本變量，第三步是確定每個(gè)π表達(dá)式中基本變量的指數(shù)，非常終確定關(guān)鍵的無(wú)量綱參數(shù)。式(3)中有f、qv、r、β、ρ和Tr六個(gè)變量，還有一個(gè)物性變量——動(dòng)力粘度μ隱含在方程中，動(dòng)力粘度影響流量計(jì)流道中的速度剖面分布，以及流體沿葉片表面和輪轂的流動(dòng)阻力，所以，量綱分析需要使用七個(gè)變量。

 

從式(3)中選擇的非常好個(gè)變量是頻率f，量綱單位是T-1；第二個(gè)變量是流速V，相對(duì)于體積流量qv(包含面積單位)，流速是一個(gè)更基本的變量，量綱單位是L·T-1；第三個(gè)變量是平均有效半徑r，這里使用更容易確定和標(biāo)準(zhǔn)化的流量計(jì)直徑D代替，量綱單位是L；第四個(gè)變量是葉片角度β，這里使用一個(gè)簡(jiǎn)單的長(zhǎng)度l代替，量綱單位是L；兩個(gè)流體物性變量密度ρ和動(dòng)力粘度μ，量綱單位分別是M·L-3和是M·L-1·T-1；非常后一個(gè)變量是阻力矩Tr，量綱單位是M·L2T-2。

 

七個(gè)選定的變量中流速V、流量計(jì)的尺寸D和l決定了儀表本身的性能。流體物性ρ、μ和阻力矩Tr影響儀表的實(shí)際性能。七個(gè)變量包含三個(gè)量綱單位(L、M和T)，故選擇三個(gè)變量(D、V和ρ)作為基本變量。四個(gè)π方程(7個(gè)變量-3個(gè)量綱單位=4個(gè)方程）如式(4)所示。

根據(jù)量綱分析的π定理，式(4)方程中的量綱指數(shù)之和必須等于零。以π1為例，

解得，x1=-1，y1=-1和z1=-1，代入π1得到：

進(jìn)一步可轉(zhuǎn)化為表征流體慣性力與粘性力之比的雷諾數(shù)(Re=ρVD/μ)。同理，其余三個(gè)π方程分別為：

長(zhǎng)度無(wú)量綱數(shù)π3和力矩?zé)o量綱數(shù)π4無(wú)法用于衡量?jī)x表性能，故舍去。進(jìn)一步轉(zhuǎn)化π2得到關(guān)于儀表系數(shù)K的斯特勞哈爾數(shù)(Strouhalnumber,St)：

將雷諾數(shù)作為標(biāo)定數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)，代表標(biāo)準(zhǔn)流量值，將斯特勞哈爾數(shù)作為標(biāo)定數(shù)據(jù)的縱坐標(biāo)，代表流量計(jì)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)流量值的輸出響應(yīng)。渦輪流量計(jì)出廠標(biāo)定數(shù)據(jù)的Re-St散點(diǎn)如圖3所示，流量計(jì)在不同粘度介質(zhì)下的輸出響應(yīng)被重整為一條和雷諾數(shù)有關(guān)的曲線，而且在一個(gè)閾值(Re=16400)以上，斯特勞哈爾數(shù)變化范圍小于0.5%。這意味著，即使校準(zhǔn)和工作場(chǎng)合使用的介質(zhì)粘度不同，只要雷諾數(shù)超過(guò)這個(gè)閾值，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的流量計(jì)示值的不確定度仍然比較低。

需要指出的是，有些制造商(特別是北美地區(qū))還提供了以羅什科數(shù)(Roshkonumber,Ro，表達(dá)式如式(9)所示)為橫坐標(biāo)，斯特勞哈爾數(shù)為縱坐標(biāo)的通用粘度曲線(universalviscositycurve,UVC)[14]。

羅什科數(shù)是流體力學(xué)中描述振蕩流的無(wú)量綱數(shù)，但是用于描述流量計(jì)的性能缺乏明確的物理意義，而且Ro-St通用粘度曲線與Re-St曲線的形態(tài)也非常相似，其優(yōu)點(diǎn)是方便儀表用戶使用。因?yàn)榱_什科數(shù)不包含體積流量，當(dāng)用戶已知介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度并且收到渦輪流量計(jì)發(fā)出的頻率，由Ro-St通用粘度曲線直接得到經(jīng)過(guò)標(biāo)定的儀表系數(shù)。對(duì)于關(guān)注渦輪流量計(jì)性能的研究者、制造商以及校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，Re-St曲線更加直觀，不僅含有明確的物理意義，而且可以改善渦輪流量計(jì)標(biāo)定結(jié)果的可預(yù)測(cè)性和一致性。

 

3、實(shí)驗(yàn)裝置與標(biāo)定結(jié)果

3.1、實(shí)驗(yàn)裝置描述

某校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的小型活塞式液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置以丙二醇-水溶液為介質(zhì)，將這臺(tái)DN25SC渦輪流量計(jì)作為期間核查對(duì)象。裝置使用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的18L主動(dòng)活塞作為標(biāo)準(zhǔn)器(如圖4所示)，非常大流量260L/min，裝置的擴(kuò)展不確定度Urel=0.05%(k=2)。該裝置有“運(yùn)行”和“返回”兩種操作模式。在“運(yùn)行”模式中，壓縮空氣被引入到氣腔，以恒定的速度推動(dòng)活塞向右移動(dòng)，將介質(zhì)排出液腔并通過(guò)被檢流量計(jì)。光柵和線性編碼器負(fù)責(zé)確定活塞的位移。當(dāng)活塞完成一次行程后，進(jìn)入“返回”模式�？刂崎y切換使壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)液罐，推動(dòng)活塞向左移動(dòng)，直至液腔完全被介質(zhì)填滿。系統(tǒng)調(diào)整后，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次檢測(cè)。

3.2、標(biāo)定結(jié)果

首先在運(yùn)動(dòng)粘度ν=2.9mm2/s下標(biāo)定該流量計(jì)，按體積流量設(shè)定12個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，所以每一點(diǎn)的雷諾數(shù)與出廠標(biāo)定時(shí)雷諾數(shù)有一定偏差(小于7%)。標(biāo)定結(jié)果與流量計(jì)的出廠數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5所示，當(dāng)雷諾數(shù)小于8000，兩者的偏差大于0.6%，非常大偏差為1%；當(dāng)雷諾數(shù)大于8000，兩者的偏差在0.1%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在流量計(jì)量程的低區(qū)，即使使用粘度較低的介質(zhì)，出廠標(biāo)定數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)結(jié)果的差異仍然較大。根據(jù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的工作需求，配置了五種不同粘度的丙二醇-水溶液(物理性質(zhì)如表1所示，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度(21~23)℃)，重新標(biāo)定流量計(jì)后，結(jié)果分別繪制成Re-St曲線(如圖6所示)。不同粘度的標(biāo)定曲線簇以Re=7400為界呈現(xiàn)出分散和聚攏兩種特征，在聚攏區(qū)域，相同雷諾數(shù)下，不同粘度的標(biāo)定數(shù)據(jù)兩兩之間的差異小于0.1%；而在分散區(qū)域，非常大相差達(dá)到0.9%。由圖3可知，在低雷諾數(shù)區(qū)域，斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)減小急劇下降，那么，不同粘度的標(biāo)定數(shù)據(jù)差異會(huì)越來(lái)越大。以下將結(jié)合渦輪流量計(jì)物理模型分析上述特征。

4、分析與討論

Lee等[15][16]基于動(dòng)量和翼面方法推導(dǎo)出儀表系數(shù)的表達(dá)式(式(2))。參考Wadlow[17]關(guān)于渦輪流量計(jì)的理論綜述，將阻滯力矩表示為基于角速度與體積流量之比的儀表系數(shù)形式，即Ti/(r2ρqv2)，(i代表r，D或B)。由于各種氣體的動(dòng)力粘度差異很小，Lee等人將模型應(yīng)用于氣體渦輪流量計(jì)時(shí)，簡(jiǎn)化了軸承阻力矩的影響，并且認(rèn)為軸承阻力矩在高雷諾數(shù)范圍內(nèi)幾乎不變，于是式(2)僅包含流體粘性阻力矩TD：

式中，S為葉片表面積，系數(shù)CD’(Re)是儀表幾何參數(shù)和一個(gè)與雷諾數(shù)有關(guān)的無(wú)量綱阻力系數(shù)CD(Re)的乘積，而且，這個(gè)無(wú)量綱阻力系數(shù)取決于葉片表面的流動(dòng)邊界層是層流還是湍流，當(dāng)發(fā)生層湍轉(zhuǎn)捩時(shí)，葉片表面摩擦阻力急劇變化。忽略軸承阻滯后，流體對(duì)轉(zhuǎn)子的粘性阻滯只和雷諾數(shù)有關(guān)，所以在變粘度實(shí)驗(yàn)中，Lee的原始模型無(wú)法解釋流量計(jì)的標(biāo)定數(shù)據(jù)為何在相同的雷諾數(shù)下存在差異，并且形成分散的曲線簇。Pope等[18]進(jìn)一步擴(kuò)展了Lee模型，將阻滯力矩Tr分成施加在轉(zhuǎn)子上的流體粘性阻力矩TD和軸承阻力矩TB，其中軸承阻力矩TB包含三部分：(1)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的軸承靜態(tài)阻力矩(CB0)；

 

(2)幾乎隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速線性增加的軸承粘性阻力矩(CB1ρνω)；(3)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方增加的，由軸向推力和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)不平衡引起的阻力矩(CB2ω2)，其中CBi，(i=0,1,2)，是儀表特定常數(shù)，令CBi/r2=C’Bi，得到：

將式(12)中軸承阻滯部分提取出來(lái)逐一分析

式(12)～式(15)表明，在流體粘性和軸承阻滯的作用下，渦輪流量計(jì)的實(shí)際儀表系數(shù)不僅取決于雷諾數(shù)，而且受到密度、體積流量，運(yùn)動(dòng)粘度以及轉(zhuǎn)速的影響，對(duì)于同一雷諾數(shù)，存在多個(gè)儀表系數(shù)與之對(duì)應(yīng)，所以標(biāo)定曲線簇出現(xiàn)分散。盡管隨著雷諾數(shù)增加，式(13)～式(15)所代表的軸承阻滯趨于減小，但是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也在增加，需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軸承阻滯中三個(gè)部分的變化趨勢(shì)，尋找導(dǎo)致曲線簇分散的主要原因。

 

(1)圖7是不同運(yùn)動(dòng)粘度的軸承靜態(tài)阻力部分隨雷諾數(shù)的變化情況。雖然從式(13)可知其依賴于體積流量，但是實(shí)質(zhì)上，粘度差異引起軸承靜態(tài)阻力數(shù)據(jù)相互分離，隨著雷諾數(shù)平方級(jí)增加，軸承靜態(tài)阻力部分迅速減小，對(duì)曲線簇分散所起的作用隨之迅速減弱。

(2)如式(14)所示，將軸承的粘性阻滯拆分為兩部分：如果非常好部分ω/qv成比例，各個(gè)運(yùn)動(dòng)粘度下的粘性阻滯將沿同一條曲線隨雷諾數(shù)遞減，否則，會(huì)出現(xiàn)多條隨雷諾數(shù)遞減的曲線。圖8所示的散點(diǎn)及其擬合曲線方程表明，各個(gè)運(yùn)動(dòng)粘度下的軸承粘性阻滯沿著一條近似于雷諾數(shù)倒數(shù)的路徑遞減，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的散點(diǎn)分離，因而軸承粘性阻滯不是導(dǎo)致曲線簇分散的主要原因。

(3)圖9所示的是軸承阻力中由于動(dòng)態(tài)不平衡引起的阻滯，這部分阻滯由于運(yùn)動(dòng)粘度的不同存在明顯的差異，由于該項(xiàng)隨著角速度的平方而增加，所以差異不會(huì)隨著雷諾數(shù)增加而減少。非常終Re-St圖中曲線簇趨于聚攏，說(shuō)明這部分阻滯作用占比很小。在高雷諾數(shù)區(qū)域，不同粘度標(biāo)定曲線之間存在的差異仍然保留了這部分軸承阻滯的作用。

由上述分析可知，軸承阻滯中的靜態(tài)阻力部分在不同粘度下的差異是造成曲線簇分散的主要原因，分散特征需要具備兩個(gè)條件：非常好，除了雷諾數(shù)以外，軸承阻滯各分項(xiàng)中還存在受其他因素(例如，運(yùn)動(dòng)粘度)影響的成分；第二，由于軸承阻滯始終隨雷諾數(shù)增加而遞減，只有那些不受雷諾數(shù)抑制的部分得以保留其對(duì)分散特征的貢獻(xiàn)。

 

需要指出的是，圖6中Re=7400處的數(shù)據(jù)同時(shí)承載了兩方面的信息：一方面，分散的曲線簇在雷諾數(shù)達(dá)到7400后聚攏于一個(gè)狹窄的區(qū)域，表明軸承阻滯在不同粘度下的差異趨于減小，其在儀表系數(shù)中的作用降低，僅和雷諾數(shù)有關(guān)的流體粘性阻滯成為影響儀表系數(shù)的主要部分；另一方面ν=2.9mm2/s的標(biāo)定曲線在Re=7400形成駝峰，駝峰的形成與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)[19]，直接影響渦輪流量計(jì)在有效測(cè)量范圍的線性度。5個(gè)粘度下的標(biāo)定數(shù)據(jù)覆蓋了層流、湍流、和層-湍過(guò)渡區(qū)域。若以ν=30mm2/s標(biāo)定曲線作為層流的代表，以ν=1.02mm2/s標(biāo)定曲線作為湍流的代表，將4020≤Re≤10000視為層流向湍流過(guò)渡區(qū)域。根據(jù)式(10)，待定系數(shù)CD’(Re)和流動(dòng)阻力有關(guān)，層湍轉(zhuǎn)捩時(shí)，流動(dòng)阻力突增導(dǎo)致儀表系數(shù)下降，標(biāo)定曲線出現(xiàn)駝峰。Griffiths和Silverwood[20]通過(guò)銼掉葉片后緣的棱角改變后緣輪廓，提高葉片的旋轉(zhuǎn)速度，使儀表系數(shù)上升，逐漸消除駝峰，這是因?yàn)榱鲃?dòng)邊界層分離點(diǎn)位置發(fā)生變化導(dǎo)致阻力減少。由式(12)和(13)可知，在相同的雷諾數(shù)下，介質(zhì)運(yùn)動(dòng)粘度越大，相應(yīng)的儀表系數(shù)越大，高粘度介質(zhì)的標(biāo)定曲線位于低粘度介質(zhì)的標(biāo)定曲線之上。由于曲線簇隨著雷諾數(shù)增加趨于聚攏，各條標(biāo)定曲線在層湍轉(zhuǎn)捩后，都將回落到ν=2.9mm2/s曲線的駝峰點(diǎn)以下，所以，低粘度介質(zhì)的標(biāo)定曲線的駝峰曲率比高粘度介質(zhì)小，而且發(fā)生層湍轉(zhuǎn)捩時(shí)的雷諾數(shù)更高。實(shí)驗(yàn)中，量程的上限是12m3/h，ν=30mm2/s標(biāo)定曲線沒(méi)有觀察到明顯的層湍轉(zhuǎn)捩，而ν=1.02mm2/s標(biāo)定曲線在量程的下限0.6m3/h時(shí)已經(jīng)是湍流狀態(tài)了，這兩條標(biāo)定曲線都沒(méi)有駝峰，于是，可以將Re=7400作為該流量計(jì)的特征駝峰點(diǎn)雷諾數(shù)。

 

由前述分析可知，盡管通過(guò)優(yōu)化葉片或轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)減緩甚至消除駝峰，能有效改善儀表的線性度，但是，因?yàn)檩S承靜態(tài)阻力部分僅受介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度和密度影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)無(wú)法減弱標(biāo)定曲線的分離，所以，當(dāng)校準(zhǔn)介質(zhì)和工作介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度有顯著差異時(shí)，不能使用特征駝峰點(diǎn)雷諾數(shù)以下的標(biāo)定結(jié)果。

 

5、結(jié)論

當(dāng)液體渦輪流量計(jì)的校準(zhǔn)介質(zhì)和工作介質(zhì)不同，或者因溫度變化導(dǎo)致兩者的運(yùn)動(dòng)粘度差異較大，若以體積流量作為計(jì)量單位，渦輪流量計(jì)會(huì)表現(xiàn)出顯著的性能差異。應(yīng)用量綱分析，從渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)表達(dá)式中導(dǎo)出雷諾數(shù)和特勞哈爾數(shù)作為描述渦輪流量計(jì)標(biāo)定曲線的無(wú)量綱數(shù)，一臺(tái)DN25渦輪流量計(jì)的出廠標(biāo)定數(shù)據(jù)被重整為一條Re-St標(biāo)定曲線。按照某校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際工作需求，配置了五種不同粘度的丙二醇-水溶液作為校準(zhǔn)介質(zhì)，重新標(biāo)定該流量計(jì)。不同粘度的標(biāo)定曲線在低雷諾數(shù)區(qū)域有顯著差異，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)兩兩之間非常大相差0.9%，隨著雷諾數(shù)增加，差異減小至0.1%以下。分析結(jié)果表明，軸承阻滯在不同粘度下的差異導(dǎo)致曲線分離，其中軸承的靜態(tài)阻力是主要因素，隨著雷諾數(shù)增加，軸承阻滯對(duì)儀表系數(shù)的影響減少，曲線簇由分散轉(zhuǎn)為聚攏。軸承阻滯中，由軸向推力和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)不平衡引起的阻滯效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致標(biāo)定曲線的分離，且不受雷諾數(shù)的抑制，因而曲線簇始終保留著少部分分散特征。

 

以往的研究通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的外型和結(jié)構(gòu)，減小阻力，提高轉(zhuǎn)速，增加小流量下的儀表系數(shù)，從而提高儀表的線性度[21]。標(biāo)定曲線出現(xiàn)駝峰是因?yàn)殡S著流速的增加，葉片表面流動(dòng)邊界層由層流向湍流轉(zhuǎn)捩時(shí)阻力突增，作為一種優(yōu)化渦輪流量計(jì)性能的方法，改變?nèi)~片的結(jié)構(gòu)輪廓能夠減緩駝峰，從而提高儀表的線性度，但是不能減弱多粘度標(biāo)定曲線簇的分散特征。所以，當(dāng)校準(zhǔn)介質(zhì)和工作介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度有顯著差異時(shí)，渦輪流量計(jì)要避免工作在軸承阻滯作用顯著的低雷諾數(shù)區(qū)域。特別是當(dāng)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度較大(例如文中ν≥13mm2/s)導(dǎo)致渦輪流量計(jì)主要運(yùn)行在特征駝峰點(diǎn)雷諾數(shù)以下，如果輸運(yùn)管道中介質(zhì)發(fā)生了改變或工作溫度有較大差異，應(yīng)當(dāng)配置流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)重新校準(zhǔn)。