摘(zhāi)要:渦輪流量計 在(zài)脈動流量下動态(tài)特性，利用FLUENT軟件對(duì)渦輪流量計内脈(mo)動♋流場進行仿真(zhen)計算。研究中獲得(dé)了流量計🐆在不同(tong)脈動幅值和頻率(lǜ)下的瞬時輸出流(liu)量，通過正弦函🥰數(shù)拟合獲得各🔴工況(kuang)輸出流量的平均(jun1)值、脈動幅值和初(chū)始相位，進而對渦(wō)輪流量計幅頻特(te)性和相頻特性進(jìn)行了分析，幅頻特(te)性随脈動頻率成(chéng)線性降低的趨勢(shi)，而相頻特性随頻(pín)率增加而㊙️增大而(ér)後趨于穩定。
0引言(yan)
　　渦輪流量計是典(diǎn)型的速度式流量(liàng)計「1-2)，通過測量葉輪(lún)的轉速來計算管(guan)道中流體體積流(liú)量。穩定流動下渦(wō)輪流量計🧑🏽‍🤝‍🧑🏻具有重(zhòng)複性好、量程範圍(wei)寬、适應性強、精度(du)高、體積小等特點(dian)。但在🌏工業領域的(de)流量測🔞量中，非穩(wěn)态流動工況廣泛(fan)存在，如脈動流量(liang)。脈動💔流量可由旋(xuán)轉式、往複式或其(qí)他可運🤟動傳送設(shè)備而産生，脈動流(liú)動--旦形成就會在(zài)流體中傳播，将會(huì)對渦輪流量計産(chǎn)生較大的影響田(tián)。其脈動幅度和脈(mo)動頻率的變化均(jun1)會對渦輪流量計(jì)動🌈态特性産生一(yi)定的影響。頻率低(di)、幅度小🏃🏻‍♂️的脈動流(liu)，一般情況下對流(liu)量測量影響不大(da)，但若脈動頻率較(jiao)高或幅💋度較大時(shi)則将對流量計的(de)幅頻特性和相頻(pin)特性💜産生很大影(ying)響。
　　利用CFD軟件對渦(wō)輪流量計在正弦(xian)脈動流動下的流(liu)場💃🏻進行仿真計算(suan)，獲得不同脈動頻(pin)率和幅度下渦輪(lún)流量計角速度曲(qu)線，進而計算瞬時(shí)流量，對渦輪流量(liàng)計動态特性進行(hang)分析研究。
1渦輪流(liú)量計建模
1.1幾何模(mo)型
　　研究中針對DN32口(kou)徑的液體渦輪流(liú)量計展開，其機芯(xīn)内部🙇🏻結構如🏃‍♂️圖1所(suo)示，主要包括前後(hòu)導向件和葉輪三(san)部分。對💃渦輪流量(liang)👅計實物的外形尺(chi)寸和位置關㊙️系等(děng)關鍵尺寸進行測(ce)繪(表1爲渦輪流🏃‍♂️量(liàng)計主要尺寸參數(shù))，忽略流量計進出(chū)口連接形式等次(cì)要因素的影響，繪(hui)制三維結構圖😄如(ru)圖2所示。
 
 
1.2流(liú)體仿真模型
　　利用(yong)Gambit軟件進行幾何建(jian)模和網格劃分，爲(wèi)使流動在流量計(jì)入口🌍處達到充分(fen)發展的流動狀态(tài)，分别在流量🏒計的(de)🏃‍♀️.上遊設置10倍長直(zhi)管段，下遊設置5倍(bèi)直管段。将葉輪所(suo)在區域定義爲旋(xuan)轉區域，其餘部分(fèn)定.義爲靜止區域(yu)，通過🧑🏽‍🤝‍🧑🏻interface面将動靜🚶區(qū)域進行連接。旋轉(zhuǎn)區域及結構較複(fú)雜的區域采用非(fēi)結構化網格;直管(guan)段等結構較簡單(dān)的區域采用結構(gòu)化網格。
仿真中選(xuan)用ReynoldsStress(S-BLS)湍流模型，該模(mó)型是最符合物理(li)現象的模型，各向(xiang)異性，輸運中的雷(lei)諾應力可直接計(ji)算出來。模型計算(suàn)🌂時間較長，适合大(da)彎曲流線、漩渦以(yi)及三維轉動流動(dòng)。選用RP-3航空煤油作(zuo)爲流體介質，以實(shi)測介質密度和粘(zhān)度并設置仿真流(liu)體參數。設置下遊(yóu)直管段🐕出口爲自(zi)由出流(out-flow)條件，直管(guan)段及流量🔞計殼體(ti)爲靜止壁面(wall);上遊(yóu)直管段入口爲速(sù)度入口(velocity-inlet)。
1.3仿真方法(fǎ)
　　渦輪流量計葉輪(lún)受到流體沖擊時(shí)，對葉輪産生驅動(dong)力矩，同🈚時受到各(gè)種阻力矩的影響(xiang)圖3是葉輪所☔受力(li)矩示意圖。葉輪🐪轉(zhuan)動過程中受到流(liu)體對葉片的驅動(dòng)🔞力矩Td，輪毂側面受(shòu)到流體粘性阻力(lì)矩Th，輪毂端面受到(dào)🌈流體粘性阻力矩(jǔ)Tw，葉片頂端受🔴到流(liú)體粘性阻力矩Tt，同(tong)時葉片輪軸與軸(zhóu)承之間存在機械(xie)阻力矩Tb，磁電信号(hao)檢出器産生磁電(dian)阻力矩Tm。
 
　　式中:J爲葉(yè)輪轉動慣量;ɷ爲葉(ye)輪轉動角速度;t爲(wèi)運行🔆時間，Trf爲流體(ti)阻力矩，Trf=Th+Tw+Tt。
　　采用6DOF模型(xíng)實現對葉輪6個自(zì)由度的控制，包括(kuò)X，Y，Z方向👅的移動自由(yóu)度和圍繞X，Y，Z軸的旋(xuán)轉自由度。通過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏(hong)文件約束葉輪在(zài)X，Y，Z方向🔴上的移動以(yi)及圍繞X，Y軸的旋轉(zhuan)，隻能圍繞Z軸(流動(dong)方向👅)進行轉動。葉(yè)輪👄三維建模中選(xuǎn)用的材質與實際(jì)材質相同，即可獲(huò)得葉輪的轉動慣(guan)量。流體♻️仿真中系(xi)統自行計算流體(tǐ)驅動力矩🏃‍♀️、流體阻(zu)力矩，忽略軸承摩(mó)擦阻力矩和磁電(dian)阻力矩。
　　仿真中通(tōng)過UDF函數對上遊直(zhí)管段入口流速進(jin)行設💃🏻置，流速通過(guo)式(2)和式(3)計算。
 
　　式中(zhong):qt爲入口瞬時體積(ji)流量;q0爲體積流量(liàng)平均值，Q0=16m3/h;A爲脈動🈲幅(fú)度;ƒ爲🏃🏻‍♂️脈動頻率;t0爲(wèi)脈動流量起始時(shi)刻，t0=0.0132s;Vt爲瞬🐉時入口速(su)度平均值;Ain爲上遊(yóu)直管段入口截面(miàn)積。
　　仿真初始葉輪(lun)轉速爲零，根據葉(ye)輪運動方程自動(dòng)計🐪算和調☎️整旋轉(zhuan)角速度，直到葉輪(lun)趨于穩定狀态⭕，仿(pang)真中各✍️工況在t,前(qian)🐅葉輪轉速已經達(da)到穩定狀态。
2仿真(zhen)結果與試驗驗證(zheng)
　　仿真計算中調整(zhěng)脈動幅度(A=5，10，15,20L/min)和脈動(dòng)頻率(ƒ=5，10，15，20，30，40，50Hz)兩參數設🍓置(zhi)，計算🧑🏽‍🤝‍🧑🏻28個不同工況(kuang)下流場，獲得葉輪(lun)轉速随時間變化(huà)👨‍❤️‍👨曲線⭐，圖4時脈動頻(pín)率爲20Hz和50Hz時的葉輪(lún)轉速曲線。
　　待流量(liang)計葉輪旋轉平穩(wěn)後，取to時刻前的葉(ye)輪轉速通過式(4)計(ji)算⛱️儀表系數。
 
　　式中(zhong):K爲儀表系數，L-1;ɷ∞爲穩(wen)定葉輪轉速，rad/s;N爲渦(wo)輪葉片數量💛，N=6;q0爲入(rù)口平均流量，m3/h。
　　經計(ji)算DN32渦輪流量計在(zai)16m3/h流量下，儀表系數(shu)K=160.6L-1。依據JJG1037-2008《渦輪🚶‍♀️流量計(jì)檢定規程》，利用流(liú)量标準裝置對渦(wo)輪流量計進🌐行校(xiào)♈準試驗，獲得16m3/h流⛱️量(liàng)下儀表系數K=161.7L-1，與仿(páng)真結果的儀表系(xi)數💃相差僅📧0.7%，仿真與(yǔ)校準試📐驗一緻性(xing)非常好。
 
3動态特性(xìng)分析
　　渦輪流量計(jì)瞬時輸出流量可(kě)由式(5)計算。
 
　　式中:qm爲(wèi)渦輪流量計瞬時(shi)流量，m3/h;ɷ爲葉輪瞬時(shí)轉速，rad/s.
　　由于流量計(ji)前後導流件的作(zuo)用，導緻葉輪轉速(su)和💔流量計瞬時流(liú)量存在小幅波動(dong)，圖5是ƒ=40Hz渦輪流量計(ji)瞬時流量曲線，通(tōng)過正弦函數對流(liú)量計瞬時流量進(jìn)行拟合，拟合函數(shu)爲
 
　　式中:qm0爲流量計(ji)輸出瞬時流量平(ping)均值，m3/h;ƒm爲流量計輸(shu)🏃‍♂️出脈㊙️動頻率，Hz;Am爲流(liu)量計輸出脈動幅(fú)度;tm0爲流量計輸出(chu)脈動流量起始時(shí)刻，:S。
　　仿真中28組工況(kuàng)拟合結果決定系(xi)數都大于0.995，拟合效(xiao)果非💛常好，拟合獲(huo)得了各工況渦輪(lún)流量計輸出流量(liang)的平均💘值qm0、脈🆚動頻(pín)率ƒm、脈動幅度Am和脈(mo)動起始時刻tm0四個(gè)參數。流量計輸出(chu)🍓幅頻特性和相頻(pín)特性分别通過式(shi)(7)和🔴式(8)計算。
 
 
　　将各工(gong)況正弦拟合曲線(xiàn)作爲動态輸出，與(yǔ)入口瞬時流量進(jìn)💔行🌐比較，圖6是脈動(dòng)頻率分别爲5，50Hz時渦(wō)輪流量計動态信(xin)号曲線圖，可見脈(mo)動幅值對相位差(chà)基本無影響。各工(gōng)況流量計輸出流(liú)量的平均值比較(jiao)恒定，變化範圍是(shi)16.079~16.094m3/h，比輸入流量平均(jun1)值偏大不足0.6%。圖💜7是(shì)渦輪流量計幅頻(pin)特性與相頻特性(xìng)❓曲線圖。A*随脈動頻(pin)率ƒ基本成線性降(jiang)低的趨勢，低頻情(qíng)況下A*≈1，且略大于1;随(sui)脈動頻率增加，A*逐(zhú)漸減小，在ƒ=50Hz時A*≈0.8。對于(yu)相位差而言，在ƒ<40Hz的(de)範圍内，相位差随(suí)脈動頻率👉增加而(er)增大，相位差由㊙️3.7°~4.8°增(zēng)大至20.9°~24.2°;在ƒ=40Hz之👣後，相位(wei)差趨于平穩。葉輪(lun)是渦輪流量計内(nèi)的唯---可動部件，葉(yè)輪在流體驅動力(li)矩和阻力矩作用(yong)下産生加速度，由(yóu)于葉輪自身轉動(dòng)慣量的影響，導緻(zhì)葉輪角速♉度變化(huà)滞後于流量🈲脈動(dòng)流動變化，産生流(liu)量示值與🚩真實之(zhī)🆚間的相位差，而相(xiàng)位差受到流量計(ji)自身時間常數和(hé)流量脈動輸入雙(shuang)方面的綜合影響(xiang)，渦❓輪流量計一般(ban)認爲是一階非線(xian)性系統[1o]，其時🔴間常(chang)數是随流量輸入(rù)而🌈改變的。
 
 
4結論
　　研(yán)究中利用FLUENT軟件中(zhōng)的6DOF模型對DN32口徑渦(wō)輪流量計進行👣流(liu)體仿☀️真🌈，仿真過程(chéng)中改變入口流量(liàng)脈動幅值和脈♉動(dong)頻率，共獲得🈲28組工(gong)況脈動流動下的(de)流場。分析獲得葉(yè)輪轉速随時間變(biàn)化曲線，并利用正(zhèng)弦函數對流量計(ji)輸出進行拟合，獲(huò)得流量計瞬時流(liu)量的平均值、脈動(dong)幅值和初始相位(wei)等參數，進一步獲(huo)得了流量計幅頻(pin)特性和相頻特性(xing)。各工況流量計輸(shū)出流量平均值可(kě)認爲是定值，幅頻(pín)特性随脈動頻率(lü)成線性降低的⚽趨(qū)勢，而相頻特性受(shou)到渦輪流量計時(shí)間常數和脈動輸(shū)入綜🥵合影響，在ƒ<40Hz的(de)範圍内随頻率增(zeng)加而增加，在ƒ=40Hz之後(hou)，相頻特性趨于平(píng)穩。
　　本仿真研究中(zhōng)，渦輪流量計規格(gé)單一且工況較少(shǎo)，未💔來還需要結合(he)理論分析、實流試(shì)驗、流體仿真等多(duo)種手段對渦輪流(liu)🙇‍♀️量計在脈動流動(dong)下動态特性😘開展(zhan)研究，進一步探究(jiu)渦輪流量計動态(tai)響應機理🔞和修正(zheng)方法，提高渦輪流(liu)量計在脈動流‼️量(liàng)測量中的精度。

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