摘要:渦(wō)輪流量計 在(zai)油氣管道運(yun)輸、貿易計量(liàng)中運用相當(dāng)廣泛，在很多(duō)工況下無可(kě)避免會産生(shēng)脈動流，對渦(wo)輪流量計的(de)正常工作造(zao)成嚴重影響(xiǎng)。脈動流對渦(wo)輪流量計🐅的(de)影響情況和(he)☔尋求補償關(guān)鍵特征，以DN50渦(wo)輪流量計爲(wèi)對象，通過數(shu)值模拟，兩種(zhǒng)波形(正弦波(bo)、方波)、多個頻(pín)率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個相對(dui)振幅(5%、10%、25%、35%)的脈動(dong)流下渦輪流(liu)量計的動态(tài)特性。發現:在(zài)頻率和相對(duì)振幅相同的(de)情況下，波💯形(xíng)對脈動流産(chan)生的正誤差(chà)大小不同。其(qí)中，方波脈動(dong)流比正弦波(bo)對渦輪流量(liàng)計的影響大(dà)💞。此外，相同頻(pín)率和振幅下(xia)，方波脈動流(liu)比正弦波脈(mo)動流的幅值(zhí)比G大，且幅值(zhi)比G與脈動頻(pín)率均爲負相(xiàng)關。最後利用(yòng)傳遞函數讨(tao)論了，入口流(liú)速與葉輪轉(zhuǎn)速的相位差(cha)與🔞脈動頻率(lǜ)呈正相關，脈(mo)動頻率會緻(zhì)使測量結果(guǒ)滞後，産生測(cè)量誤差。
0引言(yan)
　　渦輪流量計(jì)在油氣管道(dào)運輸、貿易計(ji)量中發揮着(zhe)重要作用，也(ye)🐪常被用作工(gong)作級标準表(biao)，因此對其性(xing)能和穩定性(xing)要求高🈲，渦輪(lún)流量計需要(yao)定期在穩定(dìng)流态中修正(zhèng)儀表系數K以(yi)保證精度。然(ran)而在天然氣(qi)管道運輸中(zhōng)，由于旋轉式(shì)或往複式壓(ya)氣機、鼓風機(ji)🔞、泵管道中流(liú)體的共振和(hé)流量控制設(she)備的周期振(zhèn)蕩等，均可能(neng)導緻非穩态(tai)流産生。GB/T21391-2022《用氣(qì)體渦輪⚽流量(liang)計測量天💰然(rán)氣流量》中明(ming)确給出脈動(dong)流是影響渦(wō)輪流量計測(cè)量準确🌍度的(de)因素之一。脈(mò)動流作爲一(yi)種典型的非(fei)穩态流，一旦(dàn)形成就會在(zài)流體中傳播(bō)👄，會對渦輪流(liu)量計現場應(ying)用産生很大(dà)的測量誤差(cha)，從而産生供(gong)銷差叫，不利(li)于正确測量(liàng)。
　　對渦輪流量(liàng)計的動态響(xiǎng)應展開了分(fèn)析研究，但大(dà)多數研🧡究是(shì)以連續條件(jian)下的正弦脈(mò)動流爲分析(xī)💞基礎。但是生(shēng)産實際現場(chang)，由于管道振(zhèn)動、往複泵動(dòng)作、調節閥開(kāi)度變換或🔞者(zhe)人爲幹預下(xià)等，産生的脈(mo)動流并不全(quan)是連續的正(zheng)弦波脈動流(liú)。爲了進一步(bu)📧讨論脈動流(liu)波形對渦輪(lún)❄️流量計的性(xing)能影響，用CFD仿(pang)🏒真研究不同(tong)波形脈動流(liu)對渦輪流量(liang)計的影響情(qíng)況。
1渦輪流量(liang)計數值仿真(zhēn)建模和模型(xíng)驗證
1.1渦輪流(liú)量計仿真模(mo)型建立
　　采用(yòng)1.5級DN50氣體渦輪(lun)流量計爲研(yán)究對象，建立(lì)的内部結構(gou)仿真🐇模型，渦(wō)輪流量計基(ji)本參數如表(biao)1所示。在仿真(zhen)實驗中,按照(zhào)标準安裝方(fāng)式設置，前後(hou)直管段♍同軸(zhóu)設置,前直管(guan)段長爲10D，後直(zhí)管段5D。
　　抽取管(guǎn)道流場，劃分(fen)網格，葉輪周(zhou)圍的流場如(rú)圖1所示。前後(hou)直管🏃🏻段的網(wǎng)格尺寸爲2mm,葉(ye)輪周圍的網(wang)格尺寸爲1mm，葉(yè)輪邊沿的網(wang)格尺寸爲0.2mm，總(zǒng)共487471個單元，2616035個(ge)節點。
 
表1渦輪(lun)流量計結構(gou)參數

1.2仿真邊界條(tiáo)件設置
　　入口(kǒu)采用速度入(rù)口條件(Velocity-inlet)，出口(kǒu)采用壓力出(chu)口條件(Pressure-outlet)，湍流(liú)🌍模型選擇Realizablek-ε模(mó)型，流體介質(zhi)設置爲空氣(qì)，葉輪爲鋁質(zhì)♈材質，轉動慣(guàn)量爲1.25X10-6kg.m',選擇渦(wo)輪流量計的(de)分界流量點(dian)進🐪行數值仿(páng)真。入口速度(du)由UDF給出😘，出口(kǒu)壓力爲0.5MPa,運動(dòng)模型采用6DOF模(mo)型🌈。
1.3仿真實驗(yàn)設置脈動流(liú)參數設置
　　設(shè)置渦輪流量(liang)計平均入口(kou)流速爲2.83m/s。不同(tong)波形的脈動(dong)流對應🏃🏻‍♂️的入(ru)口速度表達(dá)式分别如下(xia):
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式中，V1、V2一分别(bie)爲正弦波、方(fāng)波的速度入(rù)口的瞬時速(su)度，m/s;[]一表示向(xiang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下取整函數(shu)，或稱爲高斯(si)函數;α一脈動(dong)流振幅;ƒ一脈(mo)動♌流頻率。
　　在(zài)脈動流影響(xiǎng)研究的仿真(zhen)實驗中，脈動(dòng)流的振幅♉頻(pín)率參🔴數如表(biǎo)2所示。
 
2穩态響(xiang)應分析
2.1儀表(biǎo)系數及其誤(wù)差分析
　　導出(chū)各工況仿真(zhen)葉輪穩定轉(zhuǎn)速，取轉速平(ping)均值計算儀(yí)表系數K,與給(gěi)定的儀表系(xi)數K0(42.9)對比，計算(suàn)K值相對誤差(cha)，結果如表3所(suǒ)示。儀表系數(shù)的相對誤差(cha)随頻率變化(huà)曲線如表3所(suo)示。
　　分析表3可(ke)知:(1)脈動流均(jun)會引起葉輪(lun)轉速偏高;(2)在(zai)相同振⭐幅下(xià)📐，方波、正弦脈(mò)動流作用下(xia)，葉輪穩定轉(zhuan)速會随着頻(pín)率、振🧑🏽‍🤝‍🧑🏻幅增加(jia)而增加;脈動(dong)流作用下，葉(yè)輪穩定轉速(sù)會随着頻率(lü)、振幅增加而(ér)減小;(3)對比K值(zhi)相對誤差時(shi)，方波脈動流(liú)作用渦輪流(liú)量計産生始(shǐ)終是最大的(de)，誤🌍差高達19.58%;正(zheng)弦脈動流作(zuò)用下，誤差最(zui)高💜爲9.79%。脈動流(liú)作用下，最大(da)誤差爲👨‍❤️‍👨3.73%。
2.2幅值(zhi)比G
　　爲了分析(xi)渦輪流量計(jì)的響應(轉速(su)變化)與脈動(dòng)流的幅🏃‍♂️值相(xiàng)對變化情況(kuàng)，引入幅值比(bǐ)G:
 
　　式中:wi爲轉速(su)穩定後葉輪(lun)轉速的幅值(zhi);Aq爲入口流量(liang)🈲的⛱️脈動幅💚值(zhí)。
　　分析幅值比(bi)G與脈動流頻(pin)率的關系可(ke)知:(1)幅值比G與(yu)㊙️脈動頻率振(zhen)幅均爲負相(xiàng)關;(2)相同頻率(lǜ)和振幅下，方(fang)波的幅值🈲比(bǐ)更大，說明渦(wo)輪流量計對(duì)不同波形脈(mo)動流的敏感(gǎn)度存在差異(yi)。
3動态響應分(fèn)析
3.1葉輪轉速(su)響應曲線分(fen)析
　　葉輪轉速(sù)響應可以直(zhí)觀地反映出(chū)每個工況的(de)響應過程🚶‍♀️，分(fèn)❌析可知:(1)定常(chang)流作用下的(de)葉輪響應曲(qu)線，與方波、正(zheng)弦波作用下(xià)的⭐葉輪響應(ying)曲線相差較(jiào)大🈲;(2)相同頻率(lü)的不同波形(xing)脈動流作用(yong)下，葉輪轉速(su)響應與波形(xing)、振幅均相關(guān);(3)相同頻率和(he)同波形的脈(mo)動流，振幅與(yu)轉🆚速響應正(zhèng)相關。
3.2傳遞函(han)數分析
　　通過(guò)對渦輪流量(liàng)計旋轉穩定(dìng)後的增減流(liu)階躍響應進(jin)行仿真，入口(kou)流量點爲20m3/h，當(dāng)葉輪轉速穩(wěn)定後，分别設(shè)置增😘流、減流(liu)，增流和減流(liu)調整量相同(tong)，均爲原流量(liàng)的35%，得出渦輪(lun)流量計增減(jian)流的階⁉️躍響(xiang)應曲線，将渦(wo)輪流🚩量計看(kàn)作一個帶延(yán)🌈時的一階系(xi)統。
　　由響應曲(qu)線可以得出(chū)在增流減流(liu)中的傳遞函(hán)數，函數繪制(zhi)BODE圖，如圖2所示(shì)。
 

　　在BODE圖上可以(yǐ)看出，同一台(tai)渦輪流量計(jì)，在增流和減(jiǎn)流時♊的特性(xing)是不一樣的(de):(1)增流響應比(bi)減流響應快(kuài)，所以渦輪🙇‍♀️流(liu)量⛱️計在脈動(dong)流作用下出(chu)現正誤差;(2)增(zēng)流比減流作(zuò)用強，在減流(liú)衰減更快;(3)在(zai)低頻率下，脈(mò)動流誤差主(zhǔ)要與脈動振(zhen)幅相關;在高(gao)頻率下，脈動(dong)流誤差還與(yǔ)相位差有關(guān)，相位差。
4結論(lun)
　　綜上所述，對(dui)DN50氣體渦輪流(liú)量計建立了(le)仿真模型，展(zhǎn)開CFD仿真研🐇究(jiū)。根據仿真結(jie)果,從穩态響(xiang)應和動态響(xiǎng)應兩方面進(jin)行分析，得出(chu)以下結論:
(1)脈(mò)動流影響下(xia)的渦輪流量(liàng)計測量結果(guǒ)均會産生正(zheng)誤⛱️差，但是不(bu)同波形的脈(mò)動流産生的(de)正誤差大小(xiǎo)不同，源于葉(yè)輪在增流、減(jian)流時的特性(xìng)差異，增流響(xiǎng)應快，減流響(xiǎng)應慢。
(2)脈動流(liu)作用下，入口(kou)流速與葉輪(lun)轉速的相位(wei)差與脈🚶‍♀️動🈲頻(pin)率👌呈💚正相關(guan)，低頻脈動流(liú)作用下應關(guan)注葉輪慣性(xing)和能量💚損耗(hào)而産生測量(liàng)誤差，高頻脈(mò)動流作用下(xià)應關注測量(liang)結果的滯後(hòu)而産🔞生測量(liang)誤差。
　　綜上所(suo)述，不同波形(xing)的脈動流對(duì)渦輪流量計(jì)的特性影響(xiǎng)有🏒相似性，以(yi)正弦波脈動(dòng)流爲基礎的(de)渦輪流量計(jì)脈動流補償(cháng)研究是具有(yǒu)一定的普适(shì)性。但是如果(guǒ)要進一步提(tí)高渦輪流量(liàng)計的計量精(jīng)度，改善渦輪(lún)流量計的脈(mo)動流修正誤(wù)差，應該📱不僅(jǐn)僅關注脈動(dòng)流的頻率和(hé)振幅。

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