摘(zhai)要:渦輪流量計 在(zài)脈動流量下動态(tài)特性，利用FLUENT軟件對(dui)渦輪流量計内脈(mo)動流🌐場進行仿真(zhēn)計算。研究中獲得(dé)了流量計在不同(tong)脈動幅值和🙇‍♀️頻率(lü)下的瞬時輸出流(liu)量，通過正弦函數(shu)拟合🧑🏽‍🤝‍🧑🏻獲得各💘工況(kuàng)輸🔞出流量的平均(jun)值、脈動幅值和初(chu)始相位，進而對渦(wo)輪流量計💰幅頻特(te)性📧和相頻特性進(jin)行了分析，幅頻特(te)性随脈動頻率成(cheng)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(dian)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(guǎn)道中流體體積流(liú)量。穩定流動下渦(wō)輪流量計具有重(zhong)複性好、量程範圍(wéi)寬、适應性強、精度(dù)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(fàn)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(zai)流體中傳播，将會(hui)對渦輪流量計産(chǎn)生較大的影響田(tian)。其脈動幅度和脈(mò)動頻率的變化均(jun1)會對渦輪流量計(ji)動态特性産生一(yī)定的✊影響。頻率低(dī)🏃‍♂️、幅度小的脈動流(liu)，一般🔴情況☁️下對流(liú)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(pín)特性産生很大影(yǐng)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(suàn)，獲得不同脈動頻(pin)率和幅度下渦輪(lún)流量計角速度曲(qǔ)📧線，進而計算瞬時(shí)流量，對渦輪流量(liang)計動态特性進行(háng)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(suǒ)示，主要包括前後(hou)導向件和葉輪三(sān)部♈分。對渦輪🔞流量(liang)計實物的外形尺(chǐ)寸和位置關系等(děng)關鍵尺寸⁉️進行測(ce)繪(表1爲渦輪流量(liang)計主要尺寸參數(shù))，忽略流量計進出(chū)口連接形式等次(ci)要因素的影響，繪(hui)制三維結構圖如(ru)圖2所示。
 
 
1.2流(liu)體仿真模型
　　利用(yòng)Gambit軟件進行幾何建(jian)模和網格劃分，爲(wèi)使流動在流量🛀計(ji)入口處達到充分(fèn)發展的流動狀态(tai)，分别在流量計的(de)📧.上遊設置10倍長直(zhí)管段，下遊設置5倍(bèi)直管段。将葉輪所(suǒ)在區域定義爲旋(xuán)🙇🏻轉區域，其餘部分(fèn)定🙇🏻.義爲靜止區域(yù)，通過interface面将動靜⁉️區(qū)域進行連接。旋轉(zhuan)區域及結構較複(fú)雜的區域采用非(fēi)結構化網格;直管(guǎn)段等結構較簡單(dān)的區域采用結構(gòu)化網格🤞。
仿真中選(xuǎn)用ReynoldsStress(S-BLS)湍流模型，該模(mo)型是最符合物理(lǐ)現象的模型，各向(xiàng)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(yǐ)🈲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(zhan)度并設置✏️仿真流(liú)體參數。設置下遊(you)直管段出口爲自(zi)由出流(out-flow)條件，直管(guǎn)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(fa)
　　渦輪流量計葉輪(lun)受到流體沖擊時(shi)，對葉輪産生驅動(dòng)力矩，同時受到各(ge)種阻力矩的影響(xiǎng)圖3是葉輪所💜受力(lì)矩示意圖。葉輪轉(zhuǎn)動過程中受到流(liu)體對葉片⭕的驅動(dong)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(dao)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(zhou)承之間💚存在機械(xiè)阻力矩Tb，磁電信号(hào)檢出器産生磁電(diàn)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(tǐ)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼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(you)度和圍繞X，Y，Z軸的旋(xuán)轉自由度。通過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏(hóng)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(zhuǎn)，隻能圍繞Z軸(流動(dòng)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(guàn)量。流體仿真中系(xi)統自行計算流🚶體(ti)驅動力矩、流體阻(zǔ)力矩，忽🔞略軸承摩(mo)擦阻㊙️力矩和磁電(dian)阻力矩😄。
　　仿真中通(tōng)過UDF函數對上遊直(zhi)管段入口流速進(jin)行設置🌈，流♈速😘通過(guò)式(2)和式(3)計算。
 
　　式中(zhong):qt爲入口瞬時體積(jī)流量;q0爲體積流量(liang)平均值，Q0=16m3/h;A爲脈動☔幅(fu)度;ƒ爲🌈脈動頻率;t0爲(wei)脈動流量起始時(shí)刻，t0=0.0132s;Vt爲瞬🐪時入🥵口速(sù)度平👣均值🤟;Ain爲上👅遊(yóu)直管段入口截面(miàn)積。
　　仿真初始葉輪(lún)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(lún)趨于穩定狀态✍️，仿(páng)真中各工況在t,前(qián)😄葉輪轉速已經達(dá)到穩定狀态。
2仿真(zhēn)結果與試驗驗證(zhèng)
　　仿真計算中調整(zheng)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(lun)轉速曲線。
　　待流量(liàng)計葉輪旋轉平穩(wen)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(zhōng):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(ru)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(shù)K=160.6L-1。依據JJG1037-2008《渦輪流量計(ji)檢定🛀規程》，利用流(liu)量标準裝置對渦(wō)輪流量計進⛱️行校(xiao)準試驗，獲✏️得16m3/h流量(liang)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(xìng)非常好。
 
3動态特性(xing)分析
　　渦輪流量計(jì)瞬時輸出流量可(ke)由式(5)計算。
 
　　式中:qm爲(wei)渦輪流量計瞬時(shí)流量，m3/h;ɷ爲葉輪瞬時(shí)轉速，rad/s.
　　由于流量計(jì)前後導流件的作(zuò)用，導緻葉輪轉速(su)和流量計🏒瞬👣時流(liú)量存在小幅波動(dòng)，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(liu)量計瞬時流量進(jin)行拟合，拟合函數(shù)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(shū)出脈動頻率，Hz;Am爲流(liu)量計輸出脈動幅(fu)度;tm0爲流量計輸⛱️出(chū)脈動流🌈量起始時(shí)刻，:S。
　　仿真中28組工況(kuang)拟合結果決定系(xì)數都大于0.995，拟合效(xiào)果非常好，拟合獲(huò)得了各工況渦輪(lun)流量計輸出流量(liang)的平均💔值qm0、脈動頻(pin)率ƒm、脈動幅度Am和脈(mò)動起始時刻tm0四個(ge)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(gōng)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(cha)基本無影響。各工(gong)況流量🍉計輸出✏️流(liú)量的平均值比較(jiao)🌈恒定，變化範圍是(shì)16.079~16.094m3/h，比輸入流量平均(jun)值偏☔大不足0.6%。圖7是(shi)渦輪流量計幅頻(pín)特性與相頻特性(xing)曲線圖。A*随脈動頻(pín)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(zhu)💋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(nei)的唯---可動🔱部件，葉(ye)輪在流體驅動力(li)♋矩和阻力矩作用(yòng)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(dong)流動變化，産生流(liu)量示值與🚶‍♀️真實之(zhi)間的相位差，而相(xiang)位差受🌐到流量計(jì)自身時間常數和(hé)流量脈動輸入雙(shuang)方面的綜合影響(xiǎng)，渦輪流量計一般(bān)認爲是一階非線(xiàn)性系統[1o]，其時間常(cháng)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(zhong)的6DOF模型對DN32口徑渦(wo)輪流量計進行流(liú)體仿真，仿真過程(cheng)中改變入口流量(liàng)脈動幅值🈲和脈動(dòng)頻⛹🏻‍♀️率，共獲得📞28組工(gōng)況脈動流動下的(de)流場。分🧡析獲得🌍葉(yè)輪轉👉速随時間變(bian)化曲線，并利用正(zheng)弦函數對流量計(ji)輸出進行拟合，獲(huo)得流量計瞬時流(liu)量的平均值、脈動(dòng)幅值和初始相位(wei)等參數，進一步獲(huò)🐪得了流量計幅🏃‍♀️頻(pín)特性和相頻特性(xing)。各工況流量計輸(shu)出流量🌏平均值可(kě)認爲是定值，幅頻(pin)特性随脈動頻率(lü)成線性降低的趨(qu)勢，而相頻特性受(shòu)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(ping)穩。
　　本仿真研究中(zhōng)，渦輪流量計規格(gé)單一且工況較少(shao)，未來還需要結合(he)理論分析、實流試(shi)驗、流體仿真等多(duō)種手段對渦輪流(liú)量計🤞在脈動流動(dong)下動态特性開展(zhan)研究，進一步探究(jiū)渦輪流量計動态(tài)響應機理和修正(zheng)方♋法，提高渦輪流(liú)量計在脈動流量(liang)測量中的精度。

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