摘要(yao):
渦輪流量計
在油(you)氣管道運輸、貿易(yi)計量中運用相當(dāng)廣泛，在很多工況(kuàng)下❗無可避免會産(chǎn)生脈動流，對渦輪(lún)流量計的正常工(gōng)作造成嚴🌈重影響(xiǎng)。脈動流對渦輪流(liú)量計的影響情況(kuàng)和尋求補償關鍵(jian)特征，以DN50渦輪流量(liang)計爲對象，通過數(shu)值模拟，兩種波形(xíng)(正弦波、方波)、多個(gè)頻率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個相🐕對振(zhèn)幅(5%、10%、25%、35%)的脈動流下渦(wo)輪流量計的動❤️态(tai)特性。發現:在頻率(lǜ)和相對振幅相同(tóng)的情況下，波形對(duì)脈動流産生的正(zheng)誤❤️差大小不同。其(qi)中，方波脈動流比(bǐ)正弦波對渦輪流(liú)量計的影響大。此(ci)外，相同頻率和振(zhen)幅下，方波脈動流(liú)比正弦波脈動流(liu)的幅值比G大，且幅(fu)值比G與脈動✔️頻率(lü)均爲負相關。最後(hòu)利用傳遞函數讨(tao)論了，入口流速與(yu)葉輪轉速的相位(wei)🌈差與⚽脈動頻率呈(cheng)正相關，脈動頻率(lǜ)會緻使測量結果(guǒ)滞後，産生測量誤(wù)差。
0引言
渦輪流量(liàng)計在油氣管道運(yun)輸、貿易計量中發(fā)揮着🐉重要作用，也(ye)✉️常被用作工作級(jí)标準表，因此對其(qí)性㊙️能和穩定👄性要(yao)求高，渦輪⛹🏻♀️流量計(ji)需要定期在穩定(ding)流态中修正儀表(biao)系數K以保證精度(dù)。然而在天然氣管(guan)道運輸中，由于旋(xuán)⛱️轉式或往複式壓(ya)氣機、鼓風機、泵管(guǎn)道中流體的共振(zhèn)和流量控制設🔱備(bèi)的周期振🌍蕩等，均(jun)可能導緻非穩态(tài)流産生。GB/T21391-2022《用氣體渦(wo)輪流量計測量天(tiān)然氣流量》中明确(que)給出脈🔱動流是影(yǐng)響渦輪流量計測(ce)量準确度的因素(sù)之一。脈動流作爲(wei)一種典型的非穩(wen)态流，一旦形成就(jiù)會在流體中傳播(bō)✍️，會對渦輪流量計(jì)現場應用産生很(hen)大的測量誤差，從(cong)而産生供銷差叫(jiào)，不利于🌂正确測量(liàng)。
對渦輪流量計的(de)動态響應展開了(le)分析研究，但大多(duō)🍉數研究是以連續(xu)條件下的正弦脈(mo)動流爲分析基礎(chu)。但是生産實際現(xian)場，由于管道振動(dong)、往複泵動作、調節(jie)閥開度變換或者(zhe)人爲💯幹預下等，産(chan)生的脈🚶♀️動流并不(bu)全是連續的正弦(xian)波脈動流。爲了進(jìn)一步讨論脈動流(liu)波形對渦輪流量(liàng)計的性能影響，用(yong)CFD仿真研究不同波(bō)形脈動流對渦輪(lún)流量計的影響情(qíng)況。
1渦輪流量計數(shu)值仿真建模和模(mo)型驗證
1.1渦輪流量(liàng)計仿真模型建立(li)
采用1.5級DN50氣體渦輪(lún)流量計爲研究對(dui)象，建立的内部結(jié)構仿🌈真模型，渦輪(lun)流量計基本參數(shu)如表1所示。在仿真(zhēn)實驗中,按照标準(zhun)安裝方式設置，前(qián)後直管段☁️同軸設(she)置,前直🈚管段長爲(wei)10D，後直管段5D。
抽取管(guǎn)道流場，劃分網格(gé)，葉輪周圍的流場(chǎng)如圖1所💃示。前後直(zhi)㊙️管段的網格尺寸(cun)爲2mm,葉輪周圍的網(wǎng)格尺寸爲1mm，葉輪邊(biān)沿的網格尺寸爲(wèi)0.2mm，總共487471個單元，2616035個節(jiē)點。
表1渦輪流量計(ji)結構參數
1.2仿真邊(biān)界條件設置
入口(kou)采用速度入口條(tiáo)件(Velocity-inlet)，出口采用壓力(li)出口條件(Pressure-outlet)，湍🌏流模(mó)型選擇Realizablek-ε模型，流體(ti)介質設置爲空氣(qi)，葉輪爲🍉鋁質材質(zhi)，轉動慣量爲1.25X10-6kg.m',選擇(zé)渦輪流量計的分(fen)界流量點進行數(shù)值仿真。入口速度(du)由UDF給出㊙️，出口壓力(lì)爲0.5MPa,運動模型采用(yòng)6DOF模型。
1.3仿真實驗設(shè)置脈動流參數設(shè)置
設置渦輪流量(liang)計平均入口流速(su)爲2.83m/s。不同波形的脈(mò)👉動流對🧑🏽🤝🧑🏻應的入口(kou)速度表達式分别(bie)如下:
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、方波的(de)速度入口的瞬時(shi)速度㊙️，m/s;[]一表示向下(xià)取整函數，或稱爲(wei)高斯函數;α一脈動(dòng)流振幅;ƒ一脈動流(liu)頻率。
在脈動流影(yǐng)響研究的仿真實(shi)驗中，脈動流的振(zhèn)幅🧑🏾🤝🧑🏼頻率☁️參數如❄️表(biǎo)2所示。
2穩态響應分(fèn)析
2.1儀表系數及其(qi)誤差分析
導出各(gè)工況仿真葉輪穩(wen)定轉速，取轉速平(ping)均值計☀️算👈儀表系(xi)數K,與給定的儀表(biao)系數K0(42.9)對比，計算K值(zhí)相對誤差，結果如(rú)表3所示。儀表系數(shu)的相對誤差随頻(pin)率變化曲線如表(biǎo)3所示。
分析表3可知(zhī):(1)脈動流均會引起(qi)葉輪轉速偏高;(2)在(zài)相同振幅下，方波(bo)、正弦脈動流作用(yòng)下，葉輪穩定轉速(su)會随着頻率、振幅(fú)增加而增加;脈動(dòng)流作用下，葉輪穩(wen)定轉🐉速會随着頻(pín)率🏃♀️、振幅增加而減(jian)小;(3)對比K值相對誤(wu)差時，方波脈動流(liu)作用渦輪流量計(jì)産生始終是最大(dà)的，誤差高達19.58%;正弦(xián)脈動流作用下，誤(wù)差最高⛷️爲9.79%。脈動流(liú)作用下，最大誤差(cha)爲3.73%。
2.2幅值比G
爲了分(fèn)析渦輪流量計的(de)響應(轉速變化)與(yu)脈動流的幅值相(xiàng)對變化情況，引入(rù)幅值比G:
式中:wi爲轉(zhuan)速穩定後葉輪轉(zhuǎn)速的幅值;Aq爲入口(kǒu)流量的🤟脈動幅值(zhi)。
分析幅值比G與脈(mò)動流頻率的關系(xi)可知:(1)幅值比G與脈(mò)動頻率振幅均爲(wèi)負相關;(2)相同頻率(lü)和振幅下，方波的(de)幅值比更大，說明(míng)渦🍓輪流量計對不(bú)同波形脈動流的(de)敏感度存在差異(yì)。
3動态響應分析
3.1葉(ye)輪轉速響應曲線(xian)分析
葉輪轉速響(xiang)應可以直觀地反(fǎn)映出每個工況的(de)響㊙️應🏃♂️過程，分析可(ke)知:(1)定常流作用下(xia)的葉輪響應曲線(xiàn)，與方波、正弦波作(zuo)用⁉️下的葉輪響應(yīng)曲線相差較大;(2)相(xiang)同頻率的不同波(bo)形脈動流作用下(xià)，葉輪轉速響應與(yu)波形、振幅均相關(guān);(3)相同頻☎️率和同波(bō)形的脈動流，振幅(fú)與轉🏃速響應正相(xiàng)關。
3.2傳遞函數分析(xi)
通過對渦輪流量(liàng)計旋轉穩定後的(de)增減流階躍響應(yīng)進行仿真，入口流(liú)量點爲20m3/h，當葉輪轉(zhuan)速穩定後，分❤️别設(shè)置增🏒流、減流，增🛀🏻流(liú)和☀️減流調整量相(xiàng)同，均爲原流量的(de)🤩35%，得出渦輪流量計(jì)增減流的階躍響(xiang)應曲線，将渦輪流(liú)量計看作一個帶(dai)延時的一階系統(tǒng)。
由響應曲線可以(yǐ)得出在增流減流(liu)中的傳遞函數✔️，函(han)數⁉️繪制BODE圖，如圖2所(suǒ)示。
在BODE圖上可以看(kan)出，同一台渦輪流(liú)量計，在增流和減(jian)♉流時的🌈特性👈是不(bu)一樣的:(1)增流響應(yīng)比減流響應快，所(suo)以渦輪流量計在(zai)😄脈動🍉流作用下出(chū)現正誤差;(2)增流比(bǐ)減🔞流作用強，在減(jiǎn)🔞流衰減更快;(3)在🔴低(dī)頻率下，脈動流誤(wù)差💃🏻主要與脈動振(zhen)幅相✊關;在高頻率(lü)下，脈動流誤差還(hai)與相位差有關，相(xiang)位差。
4結論
綜上所(suo)述，對DN50氣體渦輪流(liu)量計建立了仿真(zhen)模型，展開CFD仿真研(yan)究。根據仿真結果(guǒ),從穩态響應和動(dong)态響應兩方面進(jin)行分析⁉️，得出以下(xia)結論:
(1)脈動流影響(xiang)下的渦輪流量計(ji)測量結果均會産(chan)生正誤差，但是不(bu)同波形的脈動流(liú)産生的正誤差大(da)小不同，源于葉輪(lún)在增流、減流時的(de)特性差異，增流響(xiang)應快，減流響應慢(man)。
(2)脈動流作用下，入(ru)口流速與葉輪轉(zhuǎn)速的相位差與脈(mò)動頻率㊙️呈正相關(guan)，低頻脈動流作用(yong)下應關注葉輪慣(guan)性和能量損耗而(er)産生測量誤差，高(gao)頻脈動流作用下(xia)應關注測量結果(guo)的滯後而産生測(cè)量誤差。
綜上所述(shu)，不同波形的脈動(dòng)流對渦輪流量計(jì)的特性影響有相(xiang)💘似性，以正弦波脈(mo)動流爲基礎的渦(wō)輪流量計脈😍動流(liú)補償♋研究是具有(yǒu)一定的普适性。但(dàn)是如果要進一步(bu)提高渦輪流量計(jì)的計量精度，改善(shan)渦輪流量計的脈(mo)動流修正誤差，應(yīng)該不僅僅關注脈(mò)動流的頻率和振(zhen)幅。
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