摘要:渦(wō)輪流量計 在(zài)油氣管道運(yun)輸、貿易計量(liàng)中運用相當(dang)廣泛，在很多(duo)工況🤩下🏃‍♀️無可(kě)避免會産生(sheng)脈動流，對渦(wō)輪流量計的(de)正常工♍作造(zào)✌️成嚴重影響(xiǎng)。脈動流對渦(wo)輪流量計的(de)影響情況和(hé)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(zhong)波形(正弦波(bo)、方波)、多個🌍頻(pin)率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個相對(duì)振幅(5%、10%、25%、35%)的脈動(dòng)流下渦輪🔞流(liu)量計的動🔞态(tài)特性。發現🔞:在(zai)頻率和相對(duì)振幅相同的(de)情況下，波形(xíng)對脈動流産(chǎn)生的正誤㊙️差(cha)大小不同。其(qi)中，方波脈動(dong)流比正弦波(bo)對渦輪流量(liang)計的影響大(da)。此外，相同頻(pin)率和振㊙️幅下(xia)，方波脈💃🏻動流(liú)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(yong)傳遞函數讨(tao)論了，入口流(liú)速與葉輪轉(zhuan)速的相位差(cha)與脈動頻率(lü)呈正相關，脈(mo)動頻率會緻(zhi)使測量結果(guo)滞後，産生測(ce)量誤差。
0引言(yan)
　　渦輪流量計(jì)在油氣管道(dao)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(biǎo)，因此對其性(xìng)能和穩定性(xing)要求高，渦輪(lun)流量計需要(yao)定期在穩定(ding)流态中🛀修正(zhèng)儀表系數K以(yi)保證精度。然(rán)🌈而在天然氣(qì)管道運輸中(zhong)，由于旋轉式(shi)或往複式壓(ya)氣機、鼓風機(ji)🤟、泵管道中流(liú)體的共振和(he)流量控制設(shè)備的周期振(zhèn)蕩等，均可能(néng)導⛱️緻非穩态(tài)流産生。GB/T21391-2022《用氣(qi)體渦輪流量(liàng)計測量天然(ran)氣流量》中明(ming)确給出脈動(dòng)流是影響渦(wo)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(fēi)穩态流，一旦(dan)形成💯就會在(zài)流體中傳播(bō)，會對渦輪流(liú)量計現場應(ying)用産生很大(da)的🔆測量誤差(chà)，從而産生供(gòng)🤩銷差叫，不利(li)于正确測量(liang)。
　　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(shi)以連續條件(jiàn)下的正弦脈(mò)動流爲分析(xi)基礎。但是生(shēng)産實際現場(chang)，由于管道振(zhèn)動、往複泵動(dong)作、調節☂️閥開(kāi)度變換或🏒者(zhe)人爲幹預下(xia)等，産生的脈(mo)動流并不全(quán)是連續的正(zheng)弦波脈動流(liu)。爲了進一步(bu)☔讨論脈動流(liú)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(liàng)計的影響情(qíng)況。
1渦輪流量(liang)計數值仿真(zhēn)建模和模型(xing)驗證
1.1渦輪流(liu)量計仿真模(mó)型建立
　　采用(yòng)1.5級DN50氣體渦輪(lún)流量計爲研(yan)究對象，建立(li)的内部結構(gòu)✔️仿真模型，渦(wo)輪流量計基(ji)本參數如表(biao)1所示。在仿真(zhēn)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(fèn)網格，葉輪周(zhōu)圍的流場如(ru)圖1所示。前後(hòu)直管段的網(wǎng)格尺寸爲2mm,葉(yè)輪周圍的網(wang)格尺✍️寸爲1mm，葉(yè)輪邊沿🥰的網(wǎng)🧡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(tiao)件設置
　　入口(kou)采用速度入(ru)口條件(Velocity-inlet)，出口(kou)采用壓力出(chu)口條件(Pressure-outlet)，湍流(liu)模型選擇Realizablek-ε模(mó)型，流體介質(zhì)設置爲空氣(qì)，葉輪爲鋁質(zhi)材質，轉動慣(guan)量爲1.25X10-6kg.m',選擇渦(wo)輪流量計的(de)分界流量點(diǎn)進行數值仿(pang)真。入🤟口速度(du)由UDF給出，出口(kou)壓力爲0.5MPa,運動(dòng)模型采用6DOF模(mó)型。
1.3仿真實驗(yan)設置脈動流(liú)參數設置
　　設(she)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(dòng)流對應的❄️入(rù)口速度表達(dá)式分别如下(xià):
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(fang)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(sī)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(pin)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(chu)各工況仿真(zhen)葉輪穩定轉(zhuǎn)速，取轉速平(ping)均值計🧡算儀(yi)表系數📞K,與給(gěi)定的儀表系(xi)數K0(42.9)對比，計算(suan)K值相對誤差(cha)，結果如表3所(suo)示。儀表系數(shù)的相對誤差(chà)随頻率變化(hua)曲線如表🍉3所(suǒ)示。
　　分析表3可(kě)知:(1)脈動流均(jun1)會引起葉輪(lun)轉速偏高;(2)在(zai)相同振幅下(xià)⭐，方波、正弦脈(mo)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(su)會随着頻率(lǜ)、振幅增加而(ér)減小;(3)對比K值(zhi)相對誤差時(shí)，方波脈動流(liu)作用渦輪流(liú)量計産生始(shi)終⭐是最大的(de)，誤差高達19.58%;正(zheng)弦脈動流作(zuo)用下，誤差最(zuì)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(xī)渦輪流量計(jì)的響應(轉速(sù)變化)與脈動(dòng)流的幅值‼️相(xiang)⁉️對變化情況(kuàng)，引入幅值比(bi)G:
 
　　式中:wi爲轉速(su)穩定後葉輪(lún)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(pín)率的關系可(ke)知:(1)幅值比G與(yǔ)脈動頻率振(zhen)幅均爲負相(xiang)關;(2)相同頻率(lü)和振幅下，方(fāng)波的幅值比(bi)更大，說明渦(wo)☎️輪流量計對(dui)不同波形脈(mò)♻️動流的敏感(gǎn)度存在差🧑🏽‍🤝‍🧑🏻異(yì)。
3動态響應分(fen)析
3.1葉輪轉速(su)響應曲線分(fen)析
　　葉輪轉速(su)響應可以直(zhí)觀地反映出(chu)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(qǔ)線，與方波、正(zheng)弦波❤️作用下(xia)的💞葉輪響應(ying)曲線相差較(jiao)大;(2)相同頻率(lü)的不同波形(xing)脈動流作用(yòng)下，葉輪轉速(sù)響應與波形(xíng)🤟、振幅均相關(guan);(3)相同頻率和(he)同波形的脈(mò)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(guo)對渦輪流量(liang)計旋轉穩定(dìng)後的增減流(liu)階躍響應💚進(jìn)行仿真，入口(kou)流量點爲20m3/h，當(dang)葉輪轉速穩(wen)定後，分别設(she)🏃‍♂️置增流、減流(liu)，增流和減流(liú)調整量相同(tóng)，均爲原⭕流量(liàng)的35%，得出渦輪(lun)流量計增減(jiǎn)流的階躍響(xiang)應曲線，将渦(wō)輪流☔量計看(kan)作一個帶延(yán)時的一階☁️系(xì)統。
　　由響應曲(qu)線可以得出(chū)在增流減流(liú)中的傳遞函(han)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(tái)渦輪流量計(jì)，在增流和減(jiǎn)流時的特🌈性(xìng)是不一樣的(de):(1)增流響應比(bǐ)減流響應快(kuài)，所以❄️渦輪流(liú)量計在☂️脈動(dong)🔴流作用下出(chu)現正誤差;(2)增(zēng)流比減❗流作(zuo)用強，在減流(liu)衰減更快;(3)在(zài)低頻率下，脈(mo)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(guan)，相位差。
4結論(lùn)
　　綜上所述，對(duì)DN50氣體渦輪流(liú)量計建立了(le)仿真模型，展(zhan)開CFD仿真研💞究(jiū)。根據仿真結(jie)果,從穩态響(xiǎng)應和動态響(xiang)應兩方面進(jin)行分析，得出(chu)以下結論:
(1)脈(mò)動流影響下(xià)的渦輪流量(liàng)計測量結果(guo)均會産生正(zheng)🔴誤差，但❗是✉️不(bú)同波形的脈(mò)動流産生的(de)正誤差大小(xiao)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(lún)轉速的相位(wèi)差與脈💚動🈚頻(pin)率呈正相關(guān)，低頻脈動流(liu)作用下應關(guan)注葉輪慣性(xing)和☎️能量損耗(hào)👅而産🏃🏻‍♂️生測量(liang)誤差，高頻脈(mo)動流作用下(xià)應關注測量(liàng)結果的滯後(hou)而産生測量(liang)誤差。
　　綜上所(suǒ)述，不同波形(xing)的脈動流對(duì)渦輪流量計(jì)的特性✌️影響(xiang)有🏃🏻‍♂️相似性，以(yi)正弦波脈動(dong)流爲基礎的(de)渦輪流量計(jì)脈動流補償(chang)研究是具有(yǒu)一定的普适(shi)性。但是如果(guo)⁉️要進一步提(tí)高渦輪流量(liang)計的計量精(jīng)度，改善渦輪(lun)流量計的脈(mo)動流修正誤(wu)差，應該❌不僅(jǐn)僅關🤟注脈動(dong)流的頻率和(he)振幅🐅。

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