氣體渦輪流量計是一種速度式的流量傳感器，具有測量精度高、量程范圍廣、可靠性好以及使用方便等優點。隨著我國西氣東輸工程的全線貫通，縱橫交錯的天然氣管網使我國形成世界上天然氣管網。氣體渦輪流量計被廣泛應用于天然氣管網中的貿易計量，市場前景廣闊。氣體渦輪流量計的結構改進及其性能優化在流量計量領域具有十分重要的應用價值與現實意義。
將氣體渦輪流量計前整流器的葉片截取合適切角，發現當葉片切角參數為0.25時流量計的性能最好。對前整流器結構進行分析,得到了流量計壓力損失和線性度誤差均為最小時前整流器的葉片數與長度。在前導流體研究方面.將前導流體直徑、前導流體與輪轂間距作為改進參數,比較了不同結構參數下氣體渦輪流量計的性能指標。用流線型前導流體結構代替傳統半球形前導流體，使得流量計的壓力損失降低了近33%。一種三葉片長螺旋葉輪結構，流量計測量的重復性明顯提高,測量的相對示值誤差明顯降低。基于響應面法和正交試驗法，得出了影響流量計性能的葉輪結構參數順序為:葉輪頂端半徑>葉輪葉片數>葉輪輪轂長度>葉輪輪轂半徑。在后導流體方面，優化了后導流體的葉片倒角。發現流量計的壓力損失隨著葉片倒角的增大而增加。通過數值模擬對流量計內部的流場特征進行分析,發現后導流體產生的壓力損失達到了總壓力損失的55%。
綜上所述,前人對氣體渦輪流量計的研究主要集中在葉輪、前整流器與前導流體部分，而對后導流體與表芯支座的結構改進及其性能優化目前還較為少見。實際上,后導流體在流量計中對流體起到穩流和導流的作用,表芯支座是固定葉輪的主要結構,它們均會對流量計的性能產生影響。因此,以TM80氣體渦輪流量計為對象,采用數值模擬與實驗測試相結合的方式,研究流量計內部的流場特.征，提出針對表芯支座和后導流體的結構優化方案，進而評估優化前后流量計的性能指標,探索出提高流量計計量性能的方法。
1.數值模擬方法
氣流在氣體渦輪流量計內部的流動遵循流體力學的基本方程，即滿足流體運動的質量守恒方程和動量守恒方程。質量守恒方程和動量守恒方法表示為：
式中:xi，xi為空間坐標分量，ui，uj為流體流動速度分量:p為靜壓，pij為應力張量ƒi為體積力分量。
由于流量計結構十分復雜,氣流在流量計內部的運動往往呈現湍流狀態。為了實現對湍流的模擬，需要額外引入湍流模型。本文選取RNGk-ε模型作為湍流模型，其湍流動能h和耗散率ε的輸運方程表示為:
式中:Gk表示平均速度梯度所產生的湍流動能.αε，αk分別表示ε和h的擴散率,C1ε、C2ε為系數。
由于氣流運動與葉輪旋轉存在相互作用，需要引入扭矩模型根據力矩平衡原理,葉輪旋轉的運動方程可以表示為:
式中:J為葉輪慣性力矩，單位為kg·m2;dɷ/dt為葉輪角加速度，單位為rad/s2;M1為流體對葉輪驅動力矩;M2為軸承摩擦阻力矩，單位為N·m;M3為黏性阻力矩，單位為N·m;M4為磁阻力矩，單位為N·m;t為時間，單位為s。
采用Fluent軟件求解流量計內部氣流的運動方程。為了消除管道進口段效應對模擬結果的影響，在流量計的進出口均增加了10D的直管段(D為機芯直徑)。由于給定了流體的體積流量,進口采用速度進口邊界條件,進口平均速度通過u=Qv/A確定,方向與進口直管段截面垂直;出口為大氣壓，壁面采用無滑移邊界。為了求解葉輪旋轉運動方程，把整個計算區域分解為靜區域和葉輪旋轉的動區域，動區域和靜區域之間采用多重參考模型(MRF)耦合葉輪采用滑移邊界條件，與旋轉區域具有相同的轉速。葉輪旋轉區域與前后靜區域之間的表面定義為interface邊界,便于與其他流域進行信息交換。
2.測試方法
測試采用標準表法氣體流量標準裝置。實驗裝置主要由羅茨流量計、氣體渦輪流量計、穩壓氣罐、氣動閥門、氣泵和控制系統等組成，如圖2所示。實驗通過遠程操作PLC設備，調節氣動閥門的開度,實現對氣體體積流量的控制。羅茨流量計作為標準表,其工作量程為0~250m3/h,流量控制精度為0.5級。氣體渦輪流量計作為待測流量計，其測量精度等級為1級，工作量程為13m3/h~250m3/h,量程比為20:1。差壓計的兩個.測壓口分別安裝在待測流量計的前后直管段3D處，其量程范圍為土3000Pa.測量精度等級為1級。氣泵與氣動閥門相連，能夠產生相對穩定的負壓。根據國家計量檢定標準，氣體渦輪流量計需檢定13m3/h、50m3/h、100m3/h和250m3/h等特征流量點。每個流量點進行多次測量,實驗結果得到標準表和被測流量計的壓力損失、脈沖數、體積流量以及單流量點的測量時間，數據處理后得到儀表系數和最大示值誤差等指標，進而評估氣體渦輪流量計的計量性能。
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