涡轮流量传感器测量气液两相流的数值仿真与实验验证

在能源、动力、石油、化工和冶金等工业部门经常遇到气液两相流流动工况，两相流流量测量对生产过程的计量管理、控制和运行具有重要意义. 两相流流量测量一直是国际上未能很好解决的难题.涡轮流量传感器在单相流动条件下具有响应快、精度高和稳定性好的特点. 以往人们对涡轮流量传感器的研究也多集中于单相流动条件下的测量，而对涡轮测量气液两相流的研究相对较少. 为提高涡轮流量传感器测量气液两相流的性能，仍需要进行广泛、深入的理论与实验研究.

涡轮流量传感器内部流场反映了流体在传感器内部的流动特性，通过分析传感器内部流场可深入了解流体与传感器各结构部件之间相互作用的机理，评价传感器结构设计的合理性. 多位学者采用不同的数值计算方法对涡轮流量传感器测量不同单相介质进行了仿真研究[1]. 目前，对涡轮流量传感器测量气液两相流进行数值仿真研究还未见报道.

笔者采用气液两相双流体模型对涡轮流量传感器测量体积含气率低于 10％的气液两相泡状流进行了数值仿真，根据流场分析得出的结论，以现有传感器与改进传感器的仪表系数迁移量仿真值的对比为判定依据，对现有传感器进行改进设计. 实流实验结果表明，改进传感器测量气液两相流的性能优于现有传感器，从而验证了该改进设计的有效性.

1物理模型

50,mm 口径涡轮流量传感器主要由前、后导流件和叶轮 3 部分组成，其结构与几何参数如图 1 所示. 前后导流件叶片个数都为 4，叶片厚度为 1.2,mm.叶轮叶片个数为 6，叶片厚度 0.8,mm，叶片导程为266.4,mm，叶片尾缘倒角为 1.57,rad.

2气液两相双流体模型基本方程

涡轮流量传感器内部气液两相流型为泡状流，考虑到Boussinesq 涡黏性模型[2]，气液两相流的基本控制方程组[3]可表示为以下形式.连续方程

式中：下标 k 代表任意一相（液相或气相），i、j 分别代表坐标方向；ρ 为密度；p 为压力；ω 为相对速度；f 为包含离心力和科氏力顶；μ^eff为等效黏性系数，等于分子黏性系数 μ 和 Boussinesq 涡黏性系数 μt之和，即 μ^eff＝μ＋μt；αk为 k 相体积分数；M 为相间作用力，对于泡状流，主要考虑了阻力和附加质量力.

3 数值仿真

3.1网格划分

为了确定模型网格划分分辨率的有效性，对两种不同分辨率的网格模型分别进行数值计算. 网格生成使用 Gambit 软件，网格数分别为：网格 1 为497,030，网格 2 为 879 690. 在 Fluent 中先以单相水为被测流体，用标准 k-ε 模型分别对两种网格模型进行了计算，两种网格模型的计算结果十分接近，且都与实验值相符. 可认为网格 1 的分辨率已能满足计算精度的要求. 因此，采用网格 1 模型进行气液两相仿真研究.传感器前后直管段、前后导流件与叶轮部分均采用四面体非结构化网格，Interval Size 为 2.