切向高溫導熱油流量計小流量測量響（xiǎng）應特性

摘要（yào）：應用動量定理研究高溫導熱油流量計的基本工作機理及儀（yí）表係數模型。通過數值仿真和流動實驗，分析切向高溫導熱（rè）油流量計（jì）葉片未轉動及轉動時流體在高溫導熱油流量計的分布情況，闡（chǎn）述切向渦輪計葉片轉動機理。基於小流量實（shí）驗裝置，考察了（le）高溫導熱油流量計在單相水（shuǐ）及單相油條（tiáo）件下的（de）響應特性。高溫導熱油流量計在純水與（yǔ）純（chún）油介質中，啟動排量（liàng）分別為0.081m3/d與0.08m3/d，均遠遠低於普通螺旋式高溫導熱油流量計的0.5m3/d，證明高溫導熱油流（liú）量計（jì）在低流量測量（liàng）中（zhōng）具有良好的應用前景。
引言：
高溫導熱油流量計廣泛應用於小流量測量中。與（yǔ）軸向式渦輪流量傳感器相比（bǐ），切向渦輪流量傳感器（qì）的啟動排量更低，測量靈敏度更高，動（dòng）態響應速度更快。隨著國內大部分油田進入開發中後期，低產井數量逐年增多，大量油井的日產量低於5m3/d，單層產（chǎn）量甚（shèn）至低（dī）於1m3/d。低產液（yè）井對測井儀器提出了新的要求，傳統螺旋式高溫導熱油流量計對低流量的響應較差（chà），啟動排量較高，難以對低產井的井下流動進（jìn）行有效監測。為此，提出采用高溫（wēn）導熱油流量計測量小流量。本文通過（guò）理論推導、數值仿（fǎng）真及（jí）小流（liú）量流動裝置實驗，對高（gāo）溫導熱油流量計測量機理和響應特（tè）性進行了研究。
1 高溫（wēn）導熱（rè）油流量計工作原理：
高溫導熱油（yóu）流量計基本構造見（jiàn）圖1。被測流體在流經葉輪之（zhī）前流道會減縮，流速增（zēng）加，流體（tǐ）經過葉輪後葉片旋轉，磁電傳感器記錄葉片轉動（dòng）頻率，得到被測流體相對應的流量。

渦輪在轉動時所受的力矩大（dà）致可分：流體對（duì）渦輪的推動力矩Ｔｒ，機械摩擦力矩Ｔｒｍ，流（liú）體對渦輪產生的流動阻力矩Ｔｒｆ和電磁阻力矩Ｔｒｅ。渦輪運（yùn）動（dòng）方（fāng）程可以表示為

式中，Ｊ為渦輪（lún）轉動慣量；ω為渦輪轉動角速度。渦輪正常工作時（shí），ω可近似看作定值（切向（xiàng）渦輪轉動時由（yóu）於驅動力矩（jǔ）隨著位置變化（huà）而變化，所以轉動角速度ω也（yě）是變（biàn）化（huà）的，這（zhè）裏（lǐ）將ω看作定值（zhí））。
如圖2所示，高（gāo）溫導熱（rè）油流量計（jì）流（liú）道收縮後麵積為Ａ，從流道流出的流體速度（dù）為ｖ1，從渦輪流出的流體速度為ｖ2；ｖ1和ｖ2與渦輪（lún）葉片速度方向（xiàng）的夾角為α1和α2，渦輪的轉動角速度為ω，假設（shè）出口處流體相對運動速度的方向平行（háng）於葉片（piàn）方向。

在渦輪轉動（dòng）時，隻有垂直（zhí）葉片（piàn）方向的力對驅動力矩有貢獻，因此隻考慮垂直葉片方向的驅動力ｆ。

式中，ｆＨｚ為（wéi）轉動頻率；Ｑ為流量。
2 高溫導熱油流量計流（liú）場分布特性仿真分（fèn）析：
Workbench是ANSYS公司開發的協同仿真（zhēn）環境，大大簡化了仿（fǎng）真過程中各模塊間的交互操作。通過幾何建模、網格劃分、計算求解、後處理等過程，可以比較準確地仿真複雜機械模型的各個（gè）物理參數的場分（fèn）布。
根據實際情（qíng）況采用了二維計算，並（bìng）將計算域劃分為2個部分：葉（yè）輪轉動部分和入口出口部分（見圖3）。
在圖3中葉（yè）輪（lún）部分和（hé）入口出口部分均采用（yòng）四邊形網格，網格數各約2萬，整個計算域（yù）網格數為4萬。入口出口部分為（wéi）靜止網格采用（yòng）參（cān）考係，葉輪部分為動網格，繞圓心轉動，同時采用相對參考係，參考係轉動速度與網格轉速相同。

高溫導熱油流量計仿真模型見圖（tú）4。圖4中右（yòu）側入（rù）口和左側出口均寬20ｍｍ，在計算中分別（bié）設置為速度入口和速度出口，轉動部分直徑（圖4中Ｄ1）為18ｍｍ，葉片頂端半（bàn）徑（jìng）為8.5ｍｍ，轉動腔上半部分直（zhí）徑（Ｄ3）為20ｍｍ，轉動腔下半部分直徑（Ｄ2）為19ｍｍ，轉動腔入口出口寬（kuān）度均為4ｍｍ。

圖5、圖6中速度入口分別為0.08m3/d及1m3/d。如圖5所示，當流速較低時，流體在切向渦輪內可以近（jìn）似看成繞角流動，此時腔體內葉片壓強對稱分布，基本上不產生壓差，無法驅動渦輪葉片轉動；隨著流速增大，流（liú）體在流入靠近入口的腔體時，在腔（qiāng）體內產生旋渦（wō），旋渦的運動導致葉片壁麵壓強分布不均（jun1）勻，從而產生驅動矩，如圖6所示。可以看出對驅動力矩有貢獻的是靠近入口的腔（qiāng）體（tǐ），其（qí）他腔體基本（běn）上不產生壓（yā）差。

為了驗證仿真的準確性，通過室內實驗對其驗證。切向渦輪采用可視化研究平台，整（zhěng）個渦輪的（de）結構都采用亞克力板雕刻組（zǔ）裝而成。如圖7所示，水箱主要提供穩（wěn）定水壓，水（shuǐ）平切（qiē）向（xiàng）渦輪做（zuò）成開口係統並放置在實驗支撐架上，前置（zhì）閥門可控製水流，在需要更換切（qiē）向渦輪的（de）零件時可關閉，控製閥門主要是控（kòng）製流經切向渦輪的流量，流量測量仍采用傳統可靠的容積時間法。實驗時以染色劑作為示蹤劑，以觀察（chá）流場的分布情況。


如圖8所示，記錄的是未啟動時切向渦輪（lún）內的流場，水從圖8左側流入渦輪，從（cóng）右側流出，實驗時水的流速（sù）很低（0.05m3/d），腔體1中（zhōng）的流動（dòng）可近似看作不（bú）可壓縮無旋繞角流動，此時流體在腔體1中的速度可看（kàn）成對稱分布，由伯努利方（fāng）程算得的壓強也是對稱（chēng）分布，此時2個壁麵幾乎沒有壓強差，所以渦輪未啟動。
圖9記（jì）錄的是切向渦輪正常轉動時的流場（chǎng），圖9中水從左向右流動，實驗時水速較快（1m3/d），渦輪葉片順時針轉動。水速變大後，擾動變大，不再是無旋繞角流動，腔體1中流體形成一個運動的旋渦，導致腔內壓強分布（bù）不再對稱（chēng），產生壓差（chà），致使渦輪（lún）葉片轉動，旋渦（wō）在隨葉片運動到腔體2中時逐（zhú）漸耗散消失。數值仿真的計算結果與物理（lǐ）實驗（yàn）的（de）結果（guǒ）基（jī）本一致。

3 切向渦輪在單相流體中響應特性：
為了驗證（zhèng）切向渦輪在單相流（liú）體（tǐ）中的響應情況，在全集流條件下對其在單相水及單相油介質中響應規律進行了研究。對於（yú）單相（xiàng）水的渦輪響應情（qíng）況，進（jìn）行了在0～6m3/d流速範圍內的（de）渦輪響應實驗，測得單相（xiàng）水介質中渦輪的啟動排量為0.081m3/d，渦輪響應情況見圖10。經過擬合後的響應關係為ω＝6.49Ｑ－1.446。

采用同樣的方法，對（duì）單相油（yóu）條件下渦輪響應（yīng）規律進行研（yán）究（見圖11），測（cè）得單相油的啟動（dòng）排量（liàng）為0.08m3/d。對單相油的（de）實（shí）驗結果進行擬合（hé），可得單相油的響應曲線為ω＝6.73Ｑ－6.72。與水對比而言，油（yóu）的擬合曲線斜率更大，即隨著流量增加轉速增加（jiā）得略快。
為了深入分（fèn）析高溫導（dǎo）熱（rè）油流量計在單相低流量（liàng）條件下的響應特點，將流量作為橫坐標，儀表（biǎo）Ｋ值即轉速／流量（liàng）作為縱（zòng）坐標，繪製單相水（見圖12）和單相油（見圖13）的高溫導熱油流量計特性曲線。

為了深入分析切向高溫導熱油流量計在單相低（dī）流量條件下的響（xiǎng）應特點（diǎn），將流量作為橫坐（zuò）標，儀表K值即轉速／流量（liàng）作為縱坐標，繪製單相水（shuǐ）（見圖12）和單相油（見（jiàn）圖13）的切向高（gāo）溫導熱油流（liú）量計特性曲線。


可以看出，渦輪啟動後*先進入一（yī）個非線性段，在非線性相應段，Ｋ值（zhí）隨著流量增加而增大；當流量（liàng）比較大（單相水超過（guò）0.5m3/d，單相油超過1m3/d）時，渦輪進入線性段，在線（xiàn）性響應段，Ｋ值達到峰（fēng）值（zhí），有相對較小（xiǎo）的波動。
4 結論：
（1）數值仿真結（jié）果與物理實驗結果基本一致，當流速低於啟動排量，渦輪未啟動時，流體沿葉片做繞（rào）角運動，葉片（piàn）兩側壓力相（xiàng）等，葉片不轉動；當流速高於啟動（dòng）排（pái）量，渦（wō）輪轉動時，流體在腔內產生旋渦，造成葉片兩邊壓差，從而造成葉片轉動。
（2）高溫導熱油流（liú）量（liàng）計在純水與純油介質中，啟動排量分（fèn）別為0.081m3/d與0.08m3/d，均遠遠低於普通（tōng）螺旋式高溫導熱油流量計0.5m3/d的啟動排量，在低流量測量具有良好（hǎo）的前景。
（3）高溫導熱油（yóu）流量計（jì）在未達到穩定轉動前（qián），Ｋ值不斷增大，穩定轉動後 K值趨於一條直線，具有良好的線性關（guān）係。

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