摘要:渦(wo)輪流量(liàng)計 在脈(mo)動流量(liàng)下動态(tai)特性，利(li)用FLUENT軟件(jian)對渦輪(lún)流量計(ji)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻内脈動(dong)流場進(jin)行仿真(zhen)計算。研(yán)究中獲(huo)得了流(liu)量計在(zài)不同脈(mò)動幅值(zhi)和頻率(lü)✊下的瞬(shun)時輸出(chu)流量，通(tong)過正弦(xián)函數拟(ni)合獲得(dé)各工況(kuàng)輸出流(liú)量的平(ping)均值、脈(mo)動幅值(zhi)和初始(shǐ)相位，進(jìn)而對渦(wō)輪流量(liang)計幅頻(pin)特性和(he)相頻特(tè)性進行(hang)了分析(xī)，幅頻特(tè)性随脈(mò)動頻率(lǜ)成線性(xing)降低的(de)趨勢，而(er)相頻特(tè)性随頻(pín)率增加(jia)而增大(dà)而後趨(qu)于穩定(dìng)。
0引言
　　渦(wo)輪流量(liàng)計是典(diǎn)型的速(sù)度式流(liú)量計「1-2)，通(tong)過測量(liàng)葉輪的(de)轉速來(lai)計算管(guan)道中流(liu)體體積(jī)流量。穩(wen)定流動(dòng)下渦輪(lún)流量計(ji)🛀具有重(zhong)複☁️性好(hǎo)、量程範(fan)圍寬、适(shì)應性強(qiang)、精度高(gāo)、體積小(xiao)等特點(diǎn)。但在工(gōng)業領💋域(yù)的流量(liàng)測量中(zhong)，非穩态(tài)流動工(gōng)況廣泛(fàn)存💘在，如(ru)脈動流(liú)量。脈動(dong)流量可(kě)由旋轉(zhuǎn)式、往複(fu)式或其(qí)他可運(yùn)動傳送(song)設備而(er)産生，脈(mo)動流🈲動(dòng)--旦形成(chéng)就會在(zài)流體中(zhōng)傳播，将(jiāng)會對渦(wō)輪流量(liàng)計産生(shēng)較大的(de)影響田(tián)。其脈動(dòng)幅度和(he)脈動頻(pín)率的變(bian)化均會(huì)對渦輪(lún)流量計(jì)動❗态特(tè)性産生(sheng)一定的(de)影響。頻(pín)率低、幅(fu)度小的(de)脈動流(liú)，一般情(qing)況下對(dui)流量測(ce)量影響(xiang)不大，但(dàn)若脈動(dong)頻率較(jiào)高或幅(fu)度較大(dà)時則将(jiang)對流量(liàng)計的幅(fú)頻特性(xìng)和相頻(pin)特性産(chǎn)生很大(dà)影響。
　　利(li)用CFD軟件(jiàn)對渦輪(lún)流量計(ji)在正弦(xian)脈動流(liú)動下的(de)流場進(jìn)🎯行仿真(zhen)計算，獲(huò)得不同(tong)脈動頻(pin)率和幅(fu)度下渦(wō)輪流量(liang)計角速(sù)♌度曲線(xiàn)，進而計(jì)算瞬時(shi)流量，對(duì)渦輪流(liu)量計♉動(dong)态特性(xing)進行分(fèn)析研究(jiu)。
1渦輪流(liu)量計建(jian)模
1.1幾何(he)模型
　　研(yán)究中針(zhēn)對DN32口徑(jìng)的液體(ti)渦輪流(liú)量計展(zhan)開，其機(jī)芯内部(bu)結構如(rú)圖1所示(shi)，主要包(bao)括前後(hou)導向件(jian)和葉輪(lún)三部☁️分(fèn)。對渦輪(lún)流量計(ji)實💋物的(de)外形尺(chǐ)寸和位(wèi)置關系(xì)等關鍵(jian)尺寸進(jin)行測繪(huì)(表1爲渦(wō)輪流量(liang)計主要(yao)尺寸參(cān)數)，忽🧡略(luè)流量計(ji)進出口(kou)連接形(xíng)式等次(ci)要因素(sù)的影響(xiǎng)，繪制三(sān)維結構(gou)圖如圖(tu)2所示。
 
 
1.2流體仿(pang)真模型(xíng)
　　利用Gambit軟(ruan)件進行(háng)幾何建(jiàn)模和網(wǎng)格劃分(fen)，爲使流(liu)動在流(liu)🙇‍♀️量計入(rù)口處達(da)到充分(fen)發展的(de)流動狀(zhuang)态，分别(bié)在流量(liang)計的.上(shàng)遊設置(zhì)10倍長直(zhí)管段，下(xia)遊設置(zhì)5倍直管(guǎn)段。将葉(ye)輪所在(zai)區域定(dìng)義爲旋(xuán)轉區域(yù)，其餘部(bù)分定.義(yì)爲靜止(zhǐ)區域，通(tong)過interface面将(jiang)動靜區(qū)域進行(háng)連接。旋(xuán)轉區域(yu)及結構(gòu)💚較複雜(za)的區💯域(yù)采用非(fei)結構化(huà)網格;直(zhí)管段等(děng)結構❗較(jiao)⭕簡單的(de)區域采(cai)🌈用結構(gou)化網格(ge)。
仿真中(zhong)選用ReynoldsStress(S-BLS)湍(tuan)流模型(xing)，該模型(xíng)是最符(fu)合物理(lǐ)現象的(de)模型，各(gè)向♈異性(xìng)，輸運中(zhōng)的雷諾(nuò)應力可(kě)直接計(ji)算出來(lai)💃。模型計(ji)算🔴時間(jiān)較長，适(shì)合大彎(wān)曲流線(xiàn)、漩渦以(yi)及三維(wéi)轉動流(liu)動。選用(yòng)RP-3航空煤(méi)油作爲(wèi)流體介(jiè)質，以☁️實(shí)測介質(zhi)密度和(he)粘度并(bìng)設置仿(páng)真流體(ti)參數。設(shè)置下遊(yóu)直管段(duan)出口爲(wei)自由出(chū)流(out-flow)條件(jiàn)，直管段(duan)及流量(liàng)📞計殼體(ti)爲靜止(zhi)壁面(wall);上(shang)遊直管(guan)段入口(kou)爲速度(dù)入口(velocity-inlet)。
1.3仿(pang)真方法(fǎ)
　　渦輪流(liú)量計葉(yè)輪受到(dào)流體沖(chòng)擊時，對(dui)葉輪産(chǎn)生驅動(dòng)力矩，同(tong)時受到(dào)各種阻(zǔ)力矩的(de)影響圖(tu)3是葉輪(lún)所受力(li)矩示意(yì)圖。葉輪(lun)轉動過(guò)程中受(shou)到流體(ti)對葉片(piàn)🌏的驅動(dong)力矩Td，輪(lun)毂側面(miàn)🏃‍♂️受到流(liu)🌈體粘性(xing)阻力矩(jǔ)Th，輪毂端(duān)面受到(dao)流體粘(zhan)性💛阻力(li)矩Tw，葉片(pian)頂端受(shou)到流體(tǐ)粘性阻(zu)力矩Tt，同(tóng)時葉片(piàn)輪軸與(yu)軸承之(zhi)間存在(zai)機械阻(zǔ)💋力矩Tb，磁(cí)電信号(hao)檢出器(qi)産生磁(ci)電阻力(li)矩Tm。
 
　　式中(zhong):J爲葉輪(lun)轉動慣(guàn)量;ɷ爲葉(yè)輪轉動(dong)角速度(dù);t爲運行(hang)時間，Trf爲(wèi)流體阻(zǔ)力矩，Trf=Th+Tw+Tt。
　　采(cǎi)用6DOF模型(xing)實現對(dui)葉輪6個(gè)自由度(du)的控制(zhi)，包括X，Y，Z方(fāng)向的移(yi)動自由(you)度和圍(wéi)繞X，Y，Z軸的(de)旋轉自(zì)由度。通(tong)過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏文(wén)件約束(shu)葉輪在(zai)X，Y，Z方向上(shang)的移動(dong)以及圍(wéi)繞X，Y軸的(de)旋轉，隻(zhī)能圍繞(rào)Z軸(流動(dòng)方向)進(jìn)行轉動(dong)。葉輪三(sān)維建模(mo)中選用(yong)的材質(zhì)與實際(jì)材質相(xiang)同，即可(ke)獲得葉(yè)輪的轉(zhuǎn)⛱️動慣量(liàng)。流體仿(pang)真中系(xì)統自行(hang)計算流(liu)體驅動(dong)力矩👅、流(liú)體阻力(lì)矩，忽略(luè)軸承摩(mo)擦阻㊙️力(lì)矩和磁(cí)電阻力(li)矩。
　　仿真(zhēn)中通過(guo)UDF函數對(dui)上遊直(zhi)管段入(rù)口流速(sù)進行設(shè)置，流速(su)通過式(shi)(2)和式(3)計(ji)算。
 
　　式中(zhōng):qt爲入口(kǒu)瞬時體(ti)積流量(liàng);q0爲體積(jī)流量平(píng)均值，Q0=16m3/h;A爲(wei)脈動🍉幅(fú)度💛;ƒ爲脈(mo)動頻率(lü);t0爲脈動(dòng)流量起(qǐ)始時刻(kè)，t0=0.0132s;Vt爲瞬時(shí)入口速(sù)度平均(jun1)值;Ain爲上(shang)遊直管(guan)段入口(kǒu)截面積(ji)。
　　仿真初(chū)始葉輪(lun)轉速爲(wèi)零，根據(jù)葉輪運(yùn)動方程(cheng)自動🛀計(jì)💋算🍉和♋調(diao)整旋轉(zhuǎn)角速度(dù)，直到葉(ye)輪趨于(yú)穩定狀(zhuang)态，仿真(zhen)中各工(gong)況在t,前(qián)葉輪轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到穩(wěn)定狀态(tai)。
2仿真結(jie)果與試(shì)驗驗證(zhèng)
　　仿真計(ji)算中調(diào)整脈動(dong)幅度(A=5，10，15,20L/min)和(hé)脈動頻(pín)率(ƒ=5，10，15，20，30，40，50Hz)兩參(can)數設置(zhì)，計算💁28個(gè)不同工(gong)況下流(liu)場，獲得(de)葉輪轉(zhuan)速随時(shí)間變化(hua)曲線，圖(tú)4時脈動(dòng)頻率爲(wei)20Hz和50Hz時的(de)葉輪轉(zhuǎn)速曲線(xian)。
　　待流量(liang)計葉輪(lun)旋轉平(ping)穩後，取(qu)to時刻前(qián)的葉輪(lún)轉速通(tōng)過式(4)計(ji)💔算儀表(biao)系數。
 
　　式(shi)中:K爲儀(yi)表系數(shu)，L-1;ɷ∞爲穩定(dìng)葉輪轉(zhuǎn)速，rad/s;N爲渦(wō)輪葉片(pian)數量，N=6;q0爲(wèi)🥵入口平(ping)💁均流量(liàng)，m3/h。
　　經計算(suàn)DN32渦輪流(liú)量計在(zai)16m3/h流量下(xia)，儀表系(xi)數K=160.6L-1。依據(ju)JJG1037-2008《渦輪🎯流(liu)量計檢(jiǎn)定規程(cheng)》，利用流(liu)量标準(zhun)裝置對(duì)渦輪流(liu)量計進(jin)行校準(zhǔn)試驗，獲(huò)🥰得16m3/h流👣量(liang)下儀表(biao)系數K=161.7L-1，與(yu)仿真結(jie)果的儀(yí)表系數(shù)相差僅(jǐn)0.7%，仿真與(yǔ)校準試(shi)驗一緻(zhì)性非常(chang)好。
 
3動态(tai)特性分(fen)析
　　渦輪(lún)流量計(ji)瞬時輸(shu)出流量(liang)可由式(shì)(5)計算。
 
　　式(shì)中:qm爲渦(wō)輪流量(liàng)計瞬時(shi)流量，m3/h;ɷ爲(wei)葉輪瞬(shun)時轉速(sù)，rad/s.
　　由于流(liú)量計前(qian)後導流(liú)件的作(zuò)用，導緻(zhì)葉輪轉(zhuan)速和流(liú)量🚶計瞬(shun)時🌐流量(liàng)存在小(xiao)幅波動(dong)，圖5是ƒ=40Hz渦(wō)輪流量(liang)計瞬時(shí)流量🙇‍♀️曲(qǔ)線，通過(guo)正弦函(han)數對流(liu)量計瞬(shùn)時流量(liàng)進行拟(ni)合，拟合(he)函數爲(wèi)
 
　　式中:qm0爲(wei)流量計(ji)輸出瞬(shun)時流量(liang)平均值(zhí)，m3/h;ƒm爲流量(liang)計輸♈出(chu)脈動🔴頻(pin)率，Hz;Am爲流(liú)量計輸(shū)出脈動(dòng)幅度;tm0爲(wei)流量計(ji)輸出脈(mò)動流量(liang)起始時(shi)💘刻，:S。
　　仿真(zhēn)中28組工(gōng)況拟合(hé)結果決(jue)定系數(shù)都大于(yu)0.995，拟合效(xiao)果非常(cháng)好，拟合(hé)獲得了(le)各工況(kuàng)渦輪流(liú)量計輸(shu)出流🌈量(liàng)的💚平均(jun1)值qm0、脈動(dong)頻率ƒm、脈(mo)動幅度(dù)Am和脈動(dòng)起始時(shí)刻tm0四個(ge)參數。流(liu)量💁計輸(shu)出幅頻(pín)特性和(hé)相頻特(te)性分别(bie)💋通過式(shì)(7)和🈲式(8)計(jì)算。
 
 
　　将各(ge)工況正(zheng)弦拟合(hé)曲線作(zuò)爲動态(tai)輸出，與(yu)入口瞬(shun)時👅流💁量(liang)進行比(bǐ)較，圖6是(shì)脈動頻(pín)率分别(bie)爲5，50Hz時渦(wō)輪流🈲量(liàng)計動态(tai)信号曲(qǔ)線圖，可(kě)見脈動(dong)幅值對(duì)相位差(cha)基本無(wú)影響。各(ge)工況流(liú)量🔱計輸(shū)出流量(liang)的平均(jun1)值比較(jiao)恒定，變(biàn)化範圍(wei)是16.079~16.094m3/h，比輸(shu)入流量(liàng)平均值(zhí)偏大不(bu)足0.6%。圖7是(shi)渦輪流(liú)量計幅(fú)頻特性(xìng)💯與相頻(pin)特性曲(qu)線圖。A*随(sui)脈🐇動頻(pin)率ƒ基本(ben)成線性(xing)降低的(de)趨勢，低(di)頻情況(kuang)下⚽A*≈1，且略(lue)大于1;随(sui)脈動頻(pin)率增加(jia)，A*逐漸減(jiǎn)小，在ƒ=50Hz時(shí)A*≈0.8。對于相(xiàng)位差而(ér)言，在ƒ<40Hz的(de)範圍内(nei)，相💔位差(cha)随脈動(dòng)頻率增(zeng)加而增(zeng)大，相位(wèi)差由3.7°~4.8°增(zēng)大至20.9°~24.2°;在(zài)ƒ=40Hz之後，相(xiang)位差趨(qū)于平穩(wen)。葉輪是(shì)渦輪流(liu)量計内(nèi)的💁唯---可(kě)動☀️部件(jiàn)，葉輪在(zài)流體驅(qu)動力👅矩(jǔ)和阻力(lì)矩作用(yòng)下産生(shēng)加速度(dù)，由于葉(ye)輪自身(shēn)轉☔動慣(guan)量的影(yǐng)響，導緻(zhì)葉輪角(jiao)速🏃‍♀️度變(biàn)化滞後(hòu)于流量(liàng)脈動流(liu)動變化(hua)，産生流(liu)量示值(zhi)與真實(shi)♻️之間的(de)相位差(cha)，而相位(wei)差受到(dao)流量計(ji)自身時(shí)間😍常數(shu)和流量(liàng)脈動輸(shu)入雙方(fang)面的綜(zōng)合影響(xiǎng)，渦輪流(liú)量☔計一(yi)般認爲(wèi)是一階(jie)非線性(xìng)系統[1o]，其(qi)時☂️間常(chang)數是随(suí)流💋量輸(shu)入而改(gǎi)變的。
 
 
4結(jie)論
　　研究(jiu)中利用(yòng)FLUENT軟件中(zhong)的6DOF模型(xíng)對DN32口徑(jìng)渦輪流(liu)量計進(jin)行流體(tǐ)仿✂️真，仿(páng)真過程(chéng)中改變(biàn)入口流(liu)量脈動(dòng)幅值和(hé)脈動頻(pín)率，共♍獲(huo)得😄28組工(gōng)況脈動(dong)流動下(xià)的流場(chǎng)。分析獲(huo)得㊙️葉輪(lun)轉速随(sui)時間變(bian)化💔曲線(xiàn)，并利用(yòng)正弦函(hán)數對流(liu)量計輸(shu)出進行(hang)拟合，獲(huò)✏️得流量(liàng)計瞬時(shí)流量❓的(de)平均值(zhí)、脈動幅(fú)值和初(chu)始相位(wei)等參數(shù)，進一步(bu)獲得了(le)流量計(ji)🤟幅頻特(tè)性和相(xiàng)頻🍉特性(xìng)。各工況(kuang)流量計(jì)輸出流(liu)量平均(jun)值可認(ren)爲是定(ding)值，幅頻(pin)特性随(suí)脈動頻(pin)率成線(xian)性降低(di)的趨勢(shi)，而相頻(pín)特性受(shou)到渦輪(lún)流量計(ji)時間⭐常(chang)數和脈(mò)動☂️輸入(rù)綜♉合影(ying)響，在ƒ<40Hz的(de)範圍内(nèi)♋随頻率(lü)增加而(er)增加，在(zài)ƒ=40Hz之後，相(xiàng)頻特性(xìng)趨于平(píng)穩。
　　本仿(páng)真研究(jiū)中，渦輪(lún)流量計(ji)規格單(dan)一且工(gōng)況較少(shao)，未來還(hai)😄需🎯要✨結(jié)合理論(lùn)分析、實(shi)流試驗(yàn)、流體仿(páng)真等❗多(duō)種手段(duan)對渦輪(lun)流量計(jì)在脈動(dong)流動下(xià)動态特(te)性開展(zhan)研🐅究，進(jìn)一步探(tan)究渦輪(lun)流量計(ji)動态響(xiǎng)應機理(li)和修正(zhèng)方法，提(ti)高渦輪(lún)流量計(jì)在脈動(dong)流🌈量測(ce)量中的(de)精度。

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