摘要:渦輪流量(liang)計 在脈動流量(liàng)下動态特性，利(li)用FLUENT軟件對渦輪(lún)流量計内脈動(dong)流❌場進行仿真(zhen)計算。研究中獲(huò)得了流量計💃在(zài)不同脈動幅值(zhí)和頻率下的瞬(shun)時輸出流量，通(tōng)過正弦函數拟(ni)合獲得各工況(kuang)輸出流量❄️的平(ping)均值、脈動幅值(zhi)和初始相位，進(jìn)而對渦輪流量(liàng)計幅頻特性💛和(he)相頻特性進行(háng)了分析，幅頻特(te)性随脈動頻率(lǜ)成線性降低的(de)趨勢，而相頻特(te)性随頻率增加(jiā)而😘增大而後趨(qu)于穩定。
0引言
　　渦(wo)輪流量計是典(diǎn)型的速度式流(liú)量計「1-2)，通過測量(liàng)葉輪的轉速來(lai)計算管道中流(liu)體體積流量。穩(wen)定流動下渦輪(lun)流⛷️量計具有重(zhong)複🛀性好、量程範(fan)圍寬、适應性強(qiáng)、精度高、體積小(xiǎo)等特點。但在工(gōng)業領域的流量(liàng)測量中，非穩态(tài)流動工況廣泛(fan)存在，如脈動流(liú)量。脈動😍流量可(kě)由旋轉式、往複(fú)式或其他可運(yun)動傳送設備而(ér)産生，脈動流🥵動(dong)--旦形成就會👨‍❤️‍👨在(zài)流體中傳播，将(jiang)會對渦輪流量(liàng)計産生較大的(de)影響田。其脈動(dòng)幅度和脈動頻(pin)率的變化均會(huì)對渦輪流量計(jì)🏃‍♂️動态特性産生(shēng)一定的✍️影響。頻(pin)率低、幅度小的(de)脈動流，一般情(qing)況🚶‍♀️下對流量測(ce)量影響不大，但(dàn)若脈動頻率🚶‍♀️較(jiao)高或幅度較大(dà)時則将對流量(liang)計的幅頻特性(xìng)和相頻特性産(chǎn)生很大影響。
　　利(lì)用CFD軟件對渦輪(lun)流量計在正弦(xian)脈動流動下的(de)流場進🈲行仿真(zhēn)計算，獲得不同(tong)脈動頻率和幅(fú)度下渦輪流量(liang)計☎️角速度曲線(xiàn)，進而計算瞬時(shí)流量，對渦輪流(liu)量計動态特性(xing)進行分析研究(jiū)。
1渦輪流量計建(jian)模
1.1幾何模型
　　研(yan)究中針對DN32口徑(jìng)的液體渦輪流(liú)量計展開，其機(ji)芯内部🌈結構如(rú)圖1所示，主要包(bāo)括前後導向件(jian)和葉輪三部分(fèn)。對渦輪流量計(ji)實物的外形尺(chi)寸和位置關系(xi)等關鍵尺寸進(jìn)行測📞繪(表1爲渦(wō)輪流量計主要(yào)尺寸參數)，忽略(lue)流量計進出口(kou)連接形式等次(ci)要因素的影響(xiǎng)，繪制三維結構(gòu)圖如圖2所示。
 
 
1.2流體仿(páng)真模型
　　利用Gambit軟(ruǎn)件進行幾何建(jiàn)模和網格劃分(fèn)，爲使流動在流(liu)量計入口處達(dá)到充分發展的(de)流動狀态，分别(bie)在♌流量計的.上(shang)遊設置10倍長🥵直(zhi)管段，下遊設置(zhì)5倍直管段。将葉(ye)輪所在區域定(ding)義爲旋轉區域(yù)，其餘部分定.義(yi)爲靜止區域，通(tong)過interface面将動靜🥰區(qū)域進行連接。旋(xuán)轉區域及結構(gòu)較複雜的區域(yu)采用非結構化(hua)網格;直🐇管段等(deng)結構較簡單的(de)區域采用結構(gou)化網格。
仿真中(zhōng)選用ReynoldsStress(S-BLS)湍流模型(xing)，該模型是最符(fu)合物理現象的(de)💞模型⭐，各向異性(xing)，輸運中的雷諾(nuò)應力可直接計(jì)算出來👨‍❤️‍👨。模型計(jì)算✌️時間較長，适(shì)合大彎曲流線(xian)、漩渦以🔅及三維(wei)轉動流動。選用(yòng)RP-3航空煤油作爲(wèi)流體介質，以實(shí)測介質密度和(he)粘度并設置仿(páng)真流體✔️參數。設(she)置㊙️下遊直管段(duan)出口爲自由🌏出(chu)流(out-flow)條件，直管段(duàn)及流量計殼體(ti)爲靜⁉️止壁面(wall);上(shang)遊直管段入口(kǒu)爲速度入口🆚(velocity-inlet)。
1.3仿(páng)真方法
　　渦輪流(liu)量計葉輪受到(dao)流體沖擊時，對(dui)葉輪産生驅動(dong)力矩，同時受到(dao)各種阻力矩的(de)影響圖3是葉輪(lún)所受力矩示意(yi)圖。葉輪轉動過(guo)程中受到流體(tǐ)對葉片的驅動(dòng)✨力矩Td，輪♊毂側面(mian)受到流體粘性(xìng)阻力矩Th，輪毂端(duān)面受到流體粘(zhan)性阻力矩Tw，葉片(pian)頂端受到流體(tǐ)粘💋性阻力矩Tt，同(tong)🐕時葉片輪軸與(yǔ)軸承之間存在(zai)機械阻🌍力矩Tb，磁(ci)電信号🏃🏻‍♂️檢出器(qì)産生磁🛀電阻力(lì)矩Tm。
 
　　式中:J爲葉輪(lun)轉動慣量;ɷ爲葉(yè)輪轉動角速度(dù);t爲運行👅時間，Trf爲(wèi)流體阻力矩，Trf=Th+Tw+Tt。
　　采(cai)用6DOF模型實現對(dui)葉輪6個自由度(dù)的控制，包括X，Y，Z方(fang)向的移動自✔️由(yóu)度和圍繞X，Y，Z軸的(de)旋轉自由度。通(tōng)過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏文🤩件約束(shu)葉☔輪在X，Y，Z方向上(shang)的移動以及圍(wéi)繞X，Y軸的旋轉，隻(zhī)能圍繞Z軸(流動(dong)方向)進行轉動(dòng)。葉輪三維建模(mo)中💃選用的材質(zhi)與實際材質相(xiàng)同，即可獲得🚶‍♀️葉(yè)輪的轉動慣量(liang)。流體㊙️仿真中系(xì)統自行計算流(liú)體驅動力矩、流(liú)體阻力矩，忽略(luè)軸承摩擦阻🌈力(lì)矩和磁電阻力(lì)矩。
　　仿真中通過(guo)UDF函數對上遊直(zhi)管段入口流速(su)進行設🐪置，流速(sù)✨通過式(2)和式(3)計(jì)算。
 
　　式中:qt爲入口(kǒu)瞬時體積流量(liang);q0爲體積流量平(ping)均值，Q0=16m3/h;A爲脈⭐動幅(fú)度🐉;ƒ爲脈動頻率(lü);t0爲脈動流量起(qi)始時刻，t0=0.0132s;Vt爲瞬時(shí)入口速度平均(jun)值;Ain爲上遊直管(guan)段入口截面積(jī)。
　　仿真初始葉輪(lún)轉速爲零，根據(ju)葉輪運動方程(chéng)自動☂️計算和♈調(diào)整旋轉角速度(dù)，直到葉輪趨于(yu)穩定狀态，仿真(zhen)中各工況在t,前(qian)😘葉輪💞轉速已經(jing)達到穩定狀态(tài)🍓。
2仿真結果與試(shì)驗驗證
　　仿真計(ji)算中調整脈動(dong)幅度(A=5，10，15,20L/min)和脈動頻(pin)率(ƒ=5，10，15，20，30，40，50Hz)兩參數設置(zhì)🍉，計算28個不同工(gong)況下流場，獲得(dé)葉輪轉速随時(shí)間😘變化曲線，圖(tú)4時脈動❌頻率爲(wei)20Hz和50Hz時的葉輪轉(zhuǎn)速曲線💚。
　　待流量(liàng)計葉輪旋轉平(ping)穩後，取to時刻前(qian)的葉輪轉速通(tong)過🙇🏻式(4)計算儀表(biao)系數。
 
　　式中:K爲儀(yi)表系數，L-1;ɷ∞爲穩定(dìng)葉輪轉速，rad/s;N爲渦(wō)輪葉片數量，N=6;q0爲(wei)入♈口平🌈均流量(liang)，m3/h。
　　經計算DN32渦輪流(liú)量計在16m3/h流量下(xià)，儀表系數K=160.6L-1。依據(jù)JJG1037-2008《渦輪流量計檢(jian)定🐉規程》，利用流(liu)量标準裝置對(dui)渦輪流量計進(jin)行校準試驗，獲(huo)得16m3/h流💯量下儀表(biao)系數K=161.7L-1，與仿真結(jie)果的儀表系數(shu)相差僅0.7%，仿真與(yu)校準試驗一緻(zhi)性非常好。
 
3動态(tài)特性分析
　　渦輪(lún)流量計瞬時輸(shu)出流量可由式(shì)(5)計算。
 
　　式中:qm爲渦(wō)輪流量計瞬時(shí)流量，m3/h;ɷ爲葉輪瞬(shun)時轉速，rad/s.
　　由于流(liú)量計前後導流(liú)件的作用，導緻(zhi)葉輪轉速和流(liú)🌏量計瞬📐時流量(liang)存在小幅波動(dòng)，圖5是ƒ=40Hz渦輪流量(liang)計瞬時流量曲(qu)線，通過正弦函(hán)數對流量計瞬(shun)時流量進行拟(nǐ)合，拟合函數爲(wei)
 
　　式中:qm0爲流量計(jì)輸出瞬時流量(liàng)平均值，m3/h;ƒm爲流量(liang)計輸出脈🌍動頻(pin)率✉️，Hz;Am爲流量計輸(shū)出脈動幅度;tm0爲(wei)流量計輸出脈(mò)動流量起始時(shí)🈲刻，:S。
　　仿真中28組工(gong)況拟合結果決(jué)定系數都大于(yu)0.995，拟合效果非‼️常(chang)好🔴，拟合獲得了(le)各工況渦輪流(liu)量計輸出流量(liàng)的平均🏃‍♀️值qm0、脈動(dòng)頻率ƒm、脈⛹🏻‍♀️動幅度(dù)Am和脈動起始時(shi)刻👌tm0四個參數。流(liu)量計輸出幅頻(pín)特性和相頻特(tè)性分别❌通過式(shì)(7)和式(8)計算。
 
 
　　将各(gè)工況正弦拟合(he)曲線作爲動态(tài)輸出，與入口瞬(shùn)時流⛷️量進行比(bǐ)較，圖6是脈動頻(pin)率分别爲5，50Hz時渦(wō)輪流♈量計動态(tai)👌信号曲線圖，可(kě)見脈動幅值對(duì)相位差基本無(wu)影響。各工況流(liú)量計輸出流量(liàng)的平均值比較(jiao)🐕恒定，變化範圍(wéi)是16.079~16.094m3/h，比輸入流量(liàng)平均值偏大不(bú)足0.6%。圖7是渦輪流(liu)量計幅頻特性(xìng)與相頻特性曲(qu)線圖。A*随脈😄動頻(pín)率ƒ基本成線性(xìng)降低的趨勢，低(dī)頻情況下♍A*≈1，且略(luè)大于1;随脈動頻(pín)率😘增加，A*逐漸減(jiǎn)小，在ƒ=50Hz時A*≈0.8。對于相(xiang)位差而言，在ƒ<40Hz的(de)範圍内，相位差(chà)随脈動頻率增(zeng)加而增大🐉，相位(wèi)差由💛3.7°~4.8°增大至20.9°~24.2°;在(zai)ƒ=40Hz之後，相位差趨(qu)于平穩。葉⛱️輪是(shì)渦輪流量計内(nèi)的♌唯---可動❗部件(jian)，葉輪在流體驅(qu)動力✊矩和阻力(li)矩作用下産生(shēng)加速度，由于葉(yè)輪自身轉😘動慣(guan)量的影響，導緻(zhi)葉輪角速💚度變(biàn)化滞後于流量(liang)脈動流動✍️變化(huà)，産生流量示值(zhí)與真實❓之間的(de)相位差，而相位(wèi)差受到流⛹🏻‍♀️量計(jì)自身時間常數(shu)和流量脈動輸(shū)入雙方面的綜(zong)合影響，渦輪流(liú)量計一般認爲(wèi)是一階非線性(xìng)系統[1o]，其時間常(chang)數是随流量輸(shū)入而改變的。
 
 
4結(jie)論
　　研究中利用(yong)FLUENT軟件中的6DOF模型(xing)對DN32口徑渦輪流(liú)量計進行流體(ti)仿真，仿真過程(chéng)中改變入口流(liú)量脈動幅值和(hé)脈動頻率，共獲(huò)得28組工🔆況脈動(dòng)流動下的流場(chǎng)。分析獲得葉輪(lun)轉速随時間變(bian)化曲線，并利用(yòng)正弦函數對流(liu)量⭐計輸出進行(hang)拟合，獲得流量(liàng)計瞬時流量💛的(de)平均值、脈動幅(fú)值和初始相位(wei)等參🧡數，進一步(bu)獲得了流量計(ji)幅頻特性和相(xiang)頻特性。各工況(kuang)流量計輸出流(liu)量平均值可認(rèn)爲🍉是定值，幅頻(pin)特性随脈動頻(pín)率成線性降低(di)的趨勢，而相頻(pín)特性受到渦輪(lun)流量計時間常(cháng)數和脈動輸入(ru)綜合影響，在ƒ<40Hz的(de)範圍内随頻率(lǜ)增加而增🌈加，在(zài)ƒ=40Hz之後，相頻特性(xing)趨于平穩。
　　本仿(páng)真研究中，渦輪(lun)流量計規格單(dan)一且工況較少(shao)，未來還需要結(jié)合理論分析、實(shí)流試驗、流體仿(páng)真等多種🔅手段(duàn)對渦輪流✍️量計(jì)在脈動流動下(xia)動态特性開展(zhan)研究，進一⭕步探(tan)究渦輪流量計(jì)動态響應機理(li)✔️和修正方法，提(ti)高渦輪流量計(ji)在脈動流♋量測(ce)量中的精度。

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