摘(zhai)要:渦(wo)輪流(liu)量計(ji) 在油(you)氣管(guan)道運(yun)輸、貿(mao)易計(ji)量中(zhong)運用(yong)相當(dang)廣泛(fan)，在很(hen)多工(gong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻況下(xia)無可(ke)避免(mian)會産(chan)生脈(mo)動流(liu)，對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的正(zheng)常工(gong)作造(zao)🐪成嚴(yan)重影(ying)響。脈(mo)動流(liu)對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的影(ying)響情(qing)況和(he)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼尋求(qiu)補償(chang)關鍵(jian)特征(zheng)，以DN50渦(wo)輪流(liu)量計(ji)爲對(dui)象，通(tong)過數(shu)值模(mo)拟，兩(liang)種波(bo)形(正(zheng)弦波(bo)、方波(bo))、多個(ge)🏒頻率(lü)(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個(ge)相對(dui)振幅(fu)(5%、10%、25%、35%)的脈(mo)🍉動流(liu)下渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的動(dong)⛹🏻‍♀️态特(te)性。發(fa)現:在(zai)頻率(lü)和相(xiang)對振(zhen)幅相(xiang)同的(de)情況(kuang)❤️下，波(bo)形對(dui)脈動(dong)流産(chan)生的(de)正誤(wu)差大(da)小不(bu)同。其(qi)中，方(fang)波脈(mo)動流(liu)比正(zheng)弦波(bo)對渦(wo)☔輪流(liu)量計(ji)的影(ying)響大(da)🌈。此外(wai)，相同(tong)頻率(lü)和振(zhen)幅下(xia)，方波(bo)脈動(dong)流比(bi)正弦(xian)波脈(mo)動流(liu)的幅(fu)值比(bi)G大，且(qie)幅值(zhi)比G與(yu)脈動(dong)頻率(lü)均爲(wei)負相(xiang)關。最(zui)後利(li)用傳(chuan)遞函(han)數讨(tao)論了(le)，入口(kou)流速(su)與葉(ye)輪轉(zhuan)速的(de)相位(wei)差與(yu)脈動(dong)頻率(lü)呈正(zheng)相關(guan)🚩，脈動(dong)🈲頻🐇率(lü)會緻(zhi)使測(ce)量結(jie)果滞(zhi)後，産(chan)生測(ce)量誤(wu)差。
0引(yin)言
　　渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在油(you)氣管(guan)道運(yun)輸、貿(mao)易計(ji)量中(zhong)發揮(hui)着✂️重(zhong)要作(zuo)用，也(ye)常被(bei)用作(zuo)工作(zuo)級标(biao)準表(biao)，因此(ci)對其(qi)性能(neng)和穩(wen)定性(xing)要求(qiu)高🌐，渦(wo)輪流(liu)量計(ji)需要(yao)定期(qi)在穩(wen)定流(liu)态中(zhong)修正(zheng)儀表(biao)系數(shu)K以保(bao)證精(jing)度。然(ran)🐆而在(zai)天然(ran)氣管(guan)道運(yun)輸中(zhong)，由于(yu)旋轉(zhuan)式或(huo)往複(fu)式壓(ya)氣機(ji)、鼓風(feng)機🏃、泵(beng)管道(dao)中流(liu)體的(de)共振(zhen)和流(liu)量控(kong)制設(she)備的(de)周期(qi)振蕩(dang)等，均(jun)可能(neng)導🍓緻(zhi)非穩(wen)态流(liu)産生(sheng)。GB/T21391-2022《用氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量🐕計(ji)測量(liang)天然(ran)氣流(liu)🔴量》中(zhong)明确(que)給出(chu)脈動(dong)流是(shi)影響(xiang)渦輪(lun)流量(liang)計測(ce)量準(zhun)确度(du)的因(yin)素之(zhi)一。脈(mo)動流(liu)作爲(wei)一種(zhong)典型(xing)的非(fei)穩态(tai)流，一(yi)旦形(xing)成🤩就(jiu)會在(zai)流體(ti)中傳(chuan)播🔞，會(hui)對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)現場(chang)應用(yong)産生(sheng)很大(da)的測(ce)量誤(wu)差，從(cong)而産(chan)生供(gong)銷差(cha)叫，不(bu)利于(yu)正确(que)測量(liang)。
　　對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的動(dong)态響(xiang)應展(zhan)開了(le)分析(xi)研究(jiu)，但大(da)多數(shu)㊙️研🐉究(jiu)是以(yi)連續(xu)條件(jian)下的(de)正弦(xian)脈動(dong)流爲(wei)分析(xi)基礎(chu)。但是(shi)生産(chan)實際(ji)🌂現場(chang)，由于(yu)管道(dao)振動(dong)、往複(fu)泵動(dong)🏒作、調(diao)節閥(fa)開度(du)變換(huan)或㊙️者(zhe)人爲(wei)幹預(yu)下等(deng)，産生(sheng)的脈(mo)動流(liu)并不(bu)全是(shi)連續(xu)的正(zheng)弦波(bo)脈動(dong)流。爲(wei)了進(jin)一步(bu)讨論(lun)脈動(dong)流波(bo)形對(dui)渦輪(lun)🔴流量(liang)計的(de)性💞能(neng)影響(xiang)，用CFD仿(pang)😄真研(yan)究不(bu)同波(bo)形脈(mo)動流(liu)對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的影(ying)響情(qing)況。
1渦(wo)輪流(liu)量計(ji)數值(zhi)仿真(zhen)建模(mo)和模(mo)型驗(yan)證
1.1渦(wo)輪流(liu)量計(ji)仿真(zhen)模型(xing)建立(li)
　　采用(yong)1.5級DN50氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)爲研(yan)究對(dui)象，建(jian)立的(de)内部(bu)結構(gou)仿真(zhen)模型(xing)，渦輪(lun)流量(liang)計基(ji)本參(can)數如(ru)表1所(suo)示。在(zai)仿真(zhen)實驗(yan)中,按(an)照标(biao)準安(an)裝方(fang)式設(she)置，前(qian)後直(zhi)管段(duan)💞同軸(zhou)設置(zhi),前直(zhi)管段(duan)長爲(wei)10D，後直(zhi)管段(duan)5D。
　　抽取(qu)管道(dao)流場(chang)，劃分(fen)網格(ge)，葉輪(lun)周圍(wei)的流(liu)場如(ru)圖1所(suo)示。前(qian)後🈲直(zhi)管段(duan)的網(wang)格尺(chi)寸爲(wei)2mm,葉輪(lun)周圍(wei)的網(wang)格尺(chi)寸爲(wei)1mm，葉輪(lun)♌邊沿(yan)的網(wang)格尺(chi)寸爲(wei)0.2mm，總共(gong)487471個單(dan)元，2616035個(ge)節點(dian)。
 
表1渦(wo)輪流(liu)量計(ji)結構(gou)參數(shu)

1.2仿真(zhen)邊界(jie)條件(jian)設置(zhi)
　　入口(kou)采用(yong)速度(du)入口(kou)條件(jian)(Velocity-inlet)，出口(kou)采用(yong)壓力(li)出口(kou)條件(jian)㊙️(Pressure-outlet)，湍流(liu)模型(xing)選擇(ze)Realizablek-ε模型(xing)，流體(ti)介質(zhi)設置(zhi)爲空(kong)氣，葉(ye)輪爲(wei)💯鋁質(zhi)材質(zhi)，轉動(dong)慣量(liang)爲1.25X10-6kg.m',選(xuan)🥰擇渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的分(fen)界流(liu)量點(dian)進行(hang)數值(zhi)仿真(zhen)。入口(kou)速度(du)由UDF給(gei)出，出(chu)口壓(ya)力爲(wei)🌈0.5MPa,運動(dong)模型(xing)采用(yong)6DOF模型(xing)。
1.3仿真(zhen)實驗(yan)設置(zhi)脈動(dong)流參(can)數設(she)置
　　設(she)置渦(wo)輪流(liu)量計(ji)平均(jun)入口(kou)流速(su)爲2.83m/s。不(bu)同波(bo)形的(de)脈動(dong)🐅流對(dui)應的(de)入口(kou)速度(du)表達(da)式分(fen)别如(ru)下:
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式(shi)中，V1、V2一(yi)分别(bie)爲正(zheng)弦波(bo)、方波(bo)的速(su)度入(ru)口的(de)瞬時(shi)速度(du)，m/s;[]一表(biao)示向(xiang)🙇‍♀️下取(qu)整函(han)數，或(huo)稱爲(wei)高斯(si)函數(shu);α一脈(mo)動🙇‍♀️流(liu)振幅(fu);ƒ一脈(mo)動流(liu)頻率(lü)。
　　在脈(mo)動流(liu)影響(xiang)研究(jiu)的仿(pang)真實(shi)驗中(zhong)，脈動(dong)流的(de)振幅(fu)頻率(lü)參數(shu)如🧑🏾‍🤝‍🧑🏼表(biao)2所示(shi)。
 
2穩态(tai)響應(ying)分析(xi)
2.1儀表(biao)系數(shu)及其(qi)誤差(cha)分析(xi)
　　導出(chu)各工(gong)況仿(pang)真葉(ye)輪穩(wen)定轉(zhuan)速，取(qu)轉速(su)平均(jun)值計(ji)算儀(yi)表系(xi)數K,與(yu)給定(ding)的儀(yi)表系(xi)數K0(42.9)對(dui)比，計(ji)算K值(zhi)相對(dui)誤差(cha)🐪，結果(guo)🈲如表(biao)3所示(shi)。儀表(biao)系數(shu)的相(xiang)對誤(wu)差随(sui)頻率(lü)變化(hua)曲📧線(xian)如表(biao)3所示(shi)。
　　分析(xi)表3可(ke)知:(1)脈(mo)動流(liu)均會(hui)引起(qi)葉輪(lun)轉速(su)偏高(gao);(2)在相(xiang)同振(zhen)幅下(xia)，方波(bo)、正弦(xian)脈動(dong)流作(zuo)用下(xia)，葉輪(lun)穩定(ding)轉速(su)⭕會随(sui)㊙️着頻(pin)率、振(zhen)幅增(zeng)加而(er)增加(jia);脈動(dong)流作(zuo)用下(xia)，葉輪(lun)🔱穩定(ding)轉速(su)會随(sui)着頻(pin)率🏒、振(zhen)幅增(zeng)加而(er)減小(xiao);(3)對比(bi)K值相(xiang)對誤(wu)差時(shi)，方波(bo)脈動(dong)流作(zuo)用渦(wo)輪流(liu)量計(ji)産生(sheng)始終(zhong)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼是最(zui)大的(de)，誤🐅差(cha)高達(da)19.58%;正弦(xian)脈動(dong)流作(zuo)用下(xia)，誤差(cha)最高(gao)爲9.79%。脈(mo)動流(liu)作💁用(yong)下，最(zui)大誤(wu)差爲(wei)3.73%。
2.2幅值(zhi)比G
　　爲(wei)了分(fen)析渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的響(xiang)應(轉(zhuan)速變(bian)化)與(yu)脈動(dong)流☀️的(de)👣幅值(zhi)相對(dui)變化(hua)情況(kuang)，引入(ru)幅值(zhi)比G:
 
　　式(shi)中:wi爲(wei)轉速(su)穩定(ding)後葉(ye)輪轉(zhuan)速的(de)幅值(zhi);Aq爲入(ru)口流(liu)量的(de)脈動(dong)幅值(zhi)✂️。
　　分析(xi)幅值(zhi)比G與(yu)脈動(dong)流頻(pin)率的(de)關系(xi)可知(zhi):(1)幅值(zhi)比G與(yu)脈❄️動(dong)頻率(lü)振幅(fu)均爲(wei)負相(xiang)關;(2)相(xiang)同頻(pin)率和(he)振幅(fu)下，方(fang)波的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻幅值(zhi)比更(geng)大，說(shuo)明渦(wo)輪流(liu)量計(ji)對不(bu)同波(bo)形脈(mo)動流(liu)的敏(min)感度(du)存在(zai)差異(yi)。
3動态(tai)響應(ying)分析(xi)
3.1葉輪(lun)轉速(su)響應(ying)曲線(xian)分析(xi)
　　葉輪(lun)轉速(su)響應(ying)可以(yi)直觀(guan)地反(fan)映出(chu)每個(ge)工況(kuang)的響(xiang)應過(guo)程，分(fen)析可(ke)知:(1)定(ding)常流(liu)作用(yong)下的(de)葉輪(lun)響應(ying)曲線(xian)，與方(fang)波、正(zheng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼弦波(bo)作用(yong)👌下的(de)葉輪(lun)響應(ying)曲線(xian)相差(cha)較大(da);(2)相同(tong)頻🔞率(lü)的不(bu)同波(bo)形脈(mo)動流(liu)作用(yong)下，葉(ye)輪轉(zhuan)速響(xiang)應與(yu)波形(xing)、振幅(fu)均相(xiang)關;(3)相(xiang)同頻(pin)🈲率和(he)同波(bo)形的(de)脈動(dong)流，振(zhen)幅與(yu)轉🙇‍♀️速(su)響應(ying)正相(xiang)關。
3.2傳(chuan)遞函(han)數分(fen)析
　　通(tong)過對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計旋(xuan)轉穩(wen)定後(hou)的增(zeng)減流(liu)階躍(yue)響應(ying)進行(hang)仿真(zhen)，入口(kou)流量(liang)點爲(wei)20m3/h，當葉(ye)輪轉(zhuan)速穩(wen)定後(hou)，分别(bie)設置(zhi)增流(liu)、減流(liu)，增流(liu)和減(jian)流調(diao)整量(liang)相同(tong)，均爲(wei)原流(liu)量的(de)35%，得出(chu)渦💚輪(lun)流量(liang)計增(zeng)減流(liu)的階(jie)🌈躍響(xiang)應曲(qu)線，将(jiang)渦輪(lun)流💁量(liang)計看(kan)作一(yi)個帶(dai)延時(shi)的一(yi)階系(xi)統。
　　由(you)響應(ying)曲線(xian)可以(yi)得出(chu)在增(zeng)流減(jian)流中(zhong)的傳(chuan)遞函(han)數，函(han)數繪(hui)制BODE圖(tu)♈，如圖(tu)2所示(shi)。
 

　　在BODE圖(tu)上可(ke)以看(kan)出，同(tong)一台(tai)渦輪(lun)流量(liang)計，在(zai)增流(liu)和減(jian)🌈流⭐時(shi)的特(te)性是(shi)不一(yi)樣的(de):(1)增流(liu)響應(ying)比減(jian)流響(xiang)應快(kuai)，所以(yi)🌈渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)🙇‍♀️脈動(dong)流作(zuo)用下(xia)出現(xian)正誤(wu)差;(2)增(zeng)流比(bi)減流(liu)作用(yong)⭐強，在(zai)減流(liu)衰減(jian)更快(kuai);(3)在💰低(di)頻率(lü)下，脈(mo)😍動流(liu)誤差(cha)主要(yao)與脈(mo)👈動振(zhen)幅相(xiang)🐪關;在(zai)高頻(pin)率下(xia)，脈動(dong)流誤(wu)差還(hai)與相(xiang)位差(cha)有關(guan)🔞，相位(wei)差。
4結(jie)論
　　綜(zong)上所(suo)述，對(dui)DN50氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計建(jian)立了(le)仿真(zhen)模型(xing)，展開(kai)CFD仿真(zhen)研究(jiu)。根據(ju)仿真(zhen)結果(guo),從穩(wen)态響(xiang)應和(he)動态(tai)響應(ying)兩方(fang)面進(jin)行分(fen)析，得(de)出🏃以(yi)下結(jie)論:
(1)脈(mo)動流(liu)影響(xiang)下的(de)渦輪(lun)流量(liang)計測(ce)量結(jie)果均(jun)會産(chan)生正(zheng)誤差(cha)，但是(shi)不同(tong)波形(xing)的脈(mo)動流(liu)産生(sheng)的正(zheng)誤差(cha)大小(xiao)不同(tong)，源于(yu)葉輪(lun)在增(zeng)流、減(jian)流時(shi)的特(te)性差(cha)異，增(zeng)流響(xiang)應快(kuai)💋，減流(liu)響應(ying)慢。
(2)脈(mo)動流(liu)作用(yong)下，入(ru)口流(liu)速與(yu)葉輪(lun)轉速(su)的相(xiang)位差(cha)與✌️脈(mo)動頻(pin)率呈(cheng)正相(xiang)關，低(di)頻脈(mo)動流(liu)作用(yong)下應(ying)關注(zhu)葉💘輪(lun)慣性(xing)和能(neng)量💛損(sun)耗而(er)産生(sheng)測量(liang)誤差(cha)，高頻(pin)脈動(dong)流作(zuo)用下(xia)應關(guan)注測(ce)量結(jie)🚶果的(de)滯後(hou)而産(chan)生測(ce)量誤(wu)差👨‍❤️‍👨。
　　綜(zong)上所(suo)述，不(bu)同波(bo)形的(de)脈動(dong)流對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)特性(xing)影🌈響(xiang)有相(xiang)似性(xing)，以正(zheng)弦波(bo)脈動(dong)流爲(wei)基礎(chu)的渦(wo)輪流(liu)量計(ji)脈動(dong)流補(bu)償👈研(yan)究🐅是(shi)具有(you)一定(ding)的普(pu)适性(xing)。但是(shi)如果(guo)要進(jin)一步(bu)提高(gao)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)計量(liang)精度(du)，改善(shan)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)脈動(dong)流修(xiu)正誤(wu)差，應(ying)該不(bu)僅僅(jin)關注(zhu)脈動(dong)流的(de)頻率(lü)和振(zhen)幅。

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