论文总字数：25723字

摘 要

对流量的测量一直是计量科学的一个重要的组成部分，时刻与国家的经济发展和国土军事的防御建设保持着紧密的联系。本文所研究的涡轮流量计是一种典型的速度式流量计。涡轮流量计具有量程宽、量程比大、测量精度高、压损小、结构精巧紧凑的特点，而被广泛运用于各类气体以及液体流量的测量中。涡轮流量计按被测量的介质的类型分为对气体进行测量的气体流量计，以及对液体进行测量的液体流量计。在气体流量计中最主要的测量介质是空气，在工业上普遍用于测量石油气、天然气、煤气等；液体流量计则多用于测量水、各类型成品油等多种液体。虽然涡轮流量计的内部含有转子和进行非接触性测量的测量元件，在运行时所需要的维护的工作量比较大，但是涡轮流量计有他不可代替的优点。涡轮流量计相比起其他类型的流量测量仪器有其独特的优点。涡轮流量计在量程比、安装精度、运行稳定性等方面都较其他类型的流量计更为优良。这些突出的优点使得涡轮流量计能在小到家庭用水、大到原油传输等方面占据大量的市场份额。

本文采用理论研究和数值模拟相互结合的方法，对涡轮流量计的仪表系数和量程比进行了理论计算和相关分析。本文主要完成了以下几项工作：

1.在理论研究上，通过对涡轮流量计叶轮的受力情况进行分析，将N-S方程、动量守恒定律、流动的连续性方程与叶轮的旋转过程相结合，得到叶轮旋转过程中所受到的各个力矩的表达形式。通过对刚体旋转运动的研究来建立相应的叶轮运动的数学模型，计算得到涡轮流量计流量与转速之间的关系，并求出其仪表系数的具体表达形式。

2.在数值模拟上，严格按照DN15涡轮流量计的设计尺寸进行三维模型的建立，并采用专业的流体计算软件FLUENT对流量计稳态运行时的流场进行了计算。

3.在进行数值计算时，为了得到涡轮的转速，本文采用了用户自定义函数UDF进行编程，使用动网格技术以进行求解计算。使用UDF对涡轮的物理性质和运行姿态进行了描述，并通过受力矩平衡的方法求出涡轮流量计稳定运行时的转速。

关键词：涡轮流量计；仪表系数；数值模拟；高量程比

ABSTRACT

The measure of flux has been an initial part of metrology for a long time. It has a close relationship with economy and national defense construction. The turbine flowmeter studied in this thesis is a typical type of velocity-type flowmeter. The turbine flowmeter has lots of benefits including wide measuring range, high flow range, high precision and low pressure loss. Consequently, it is widely used in various measurements of gas and liquid. Although there are a rotor and elements of non-contact measurement, which make it difficult to maintain, the turbine flowmeter has some irreplaceable advantages in floe range and precision.

In this thesis, theoretical research and numerical simulation method are combined to calculate and analyze the instrument coefficient of turbine flowmeter. The main research works are as follows:

1. In the theoretical research, the paper makes the force analysis to the rotor. The paper applies Navier-Stokes equation, the law of conservation of momentum and equation of continuity to the rotation of the rotor to analyze the moment in the rotor. The thesis applies the dynamics of rigid body to rotor’s rotation to calculate the relationship between the rates of flow and rotate speed.

2. In the numerical simulation, the paper establishes a 3-dimension model of DN15 turbine flowmeter. Using a professional software in fluid calculation known as FLUENT, to analyze the flow field in turbine flowmeter.

3. In the numerical calculation, the paper use the User-Define Function (UDF) and dynamic meshing to solve the rotate speed of the turbine flowmeter. The paper use UDF to describe the physical property, moment and the constrain condition of the rotation.

KEY WORDS: Turbine Flowmeter, Instrument Coefficient, Numerical Simulation, High Flow Range.

目 录

东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明 I

东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 使 用 授 权 声 明 I

摘 要 II

ABSTRACT III

目 录 IV

第一章 概论 1

1.1课题背景和意义 1

1.2涡轮流量计的结构 2

1.3涡轮流量计的运行原理 2

1.4新型涡轮流量计 3

1.5涡轮流量计的研究现状 4

1.6研究内容 5

1.7创新点 5

第二章 涡轮流量计的数学模型 6

2.1涡轮流量计的流量特性曲线 6

2.2涡轮流量计的数学模型 7

2.3涡轮流量计特性分析 11

2.3.1涡轮流量计理想特性曲线 11

2.3.2涡轮流量计的始动流量 11

2.3.3涡轮流量计实际流量特性 11

第三章 涡轮流量计数值模拟的基本理论 13

3.1涡轮流量计数值模拟理论 13

3.1.1流体运动的控制方程 13

3.1.2湍流运动方程 14

3.2FLUENT介绍 15

3.3网格划分与网格质量的检验 15

第四章 涡轮流量计数值模拟分析 16

4.1DN15涡轮流量计的三维模型 16

4.2DN15涡轮流量计的网格划分 16

4.3FLUENT求解器的设置 17

4.4计算结果分析 18

4.4.1涡轮流量计的入口速度 18

4.4.2涡轮流量计的压力分布 20

4.4.3叶轮受力 22

4.4.4涡轮流量计的理论量程比 22

参考文献 24

致 谢 26

第一章 概论

1.1课题背景和意义

对于流量的计量一直是计量科学的一个重要组成部分。对于流量的测量和对测量精度的加深一直是科学研究的前沿领域。为了加强流量测量的精度，并使得流量的测量适用于各类被测介质，发展出了基于各种原理的测量仪器。如速度式流量测量的涡轮流量计、基于流动压力与转子重力平衡的转子流量计、适用于测量高粘度介质的椭圆流量计、基于Coriolis Force的质量流量计和具有精确度高的优点的基于各类非接触性测量原理的流量计。由于各类型的流量计被广泛运用与生活、工业生产和各类商业测量中，因此对于流量的测量一直与国民经济发展、国防科技以及国防建设还有各种科学研究保持着密切的联系。所以流量这一物理量不论是在日常生活、工业和农业生产还是科学研究领域中都是一个十分重要的参数。

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