摘要:渦輪(lun)流量計 在(zai)油氣管道(dào)運輸、貿易(yì)計量中運(yun)用相當廣(guǎng)泛，在很多(duo)工況下無(wu)可避免會(huì)産生脈動(dong)流，對渦輪(lún)流量計的(de)正常工作(zuo)造成嚴重(zhòng)影響。脈動(dong)流對渦輪(lun)流量計的(de)影響情況(kuàng)和尋求補(bu)償關鍵特(te)征，以DN50渦輪(lún)流量計爲(wei)對象，通過(guò)數值模拟(nǐ)，兩種波形(xing)(正弦波、方(fang)波)、多個頻(pín)率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個相(xiang)對振幅(5%、10%、25%、35%)的(de)脈♋動流下(xia)渦輪流量(liàng)計的動态(tài)特性。發現(xian)🌈:在頻率和(he)相對振👄幅(fu)相同的情(qing)況下，波形(xíng)對脈動💋流(liu)産生的正(zheng)誤差大小(xiao)不同。其中(zhong)，方波脈📞動(dong)流比正弦(xián)波對渦輪(lun)流量計的(de)影響👌大。此(ci)外，相同頻(pín)率和振幅(fú)下，方波脈(mo)動流比正(zhèng)弦波脈動(dòng)流的幅🐆值(zhi)比G大，且幅(fú)值比G與脈(mo)動頻率均(jun)爲負相關(guan)。最後利用(yong)傳遞函數(shu)讨論了，入(rù)口流速與(yu)葉輪轉速(sù)的相位差(chà)與🈲脈動頻(pín)率呈正相(xiang)關，脈動頻(pin)率會緻使(shi)測量結果(guǒ)滞後，産生(sheng)測量誤差(cha)。
0引言
　　渦輪(lun)流量計在(zài)油氣管道(dào)運輸、貿易(yi)計量中發(fa)揮着重要(yào)作用，也常(chang)被用作工(gōng)作級标準(zhǔn)表，因此對(dui)其性能和(he)穩定性要(yào)求高，渦輪(lun)流量計需(xū)要定期在(zài)穩定🌈流态(tài)中修正儀(yí)表系數K以(yǐ)保證精度(du)。然而在天(tian)然氣管道(dao)運輸中，由(yóu)于旋轉式(shi)或往複式(shì)壓氣機、鼓(gǔ)風機🏃🏻‍♂️、泵管(guan)道中流♋體(ti)的共振和(hé)流量控制(zhì)設備的周(zhōu)期振🐉蕩等(deng)，均可能導(dao)緻非穩态(tài)流産生。GB/T21391-2022《用(yong)氣體渦輪(lun)‼️流量計測(cè)量天然氣(qì)流🤩量》中明(ming)确給出脈(mò)動流是影(yǐng)響渦♉輪流(liú)量計測量(liàng)準确度的(de)因素之一(yī)。脈動流作(zuò)爲一種典(diǎn)型的非穩(wen)态流，一旦(dàn)形成就會(huì)在流體中(zhong)傳播，會對(dui)渦輪流量(liang)計現場應(ying)用産生很(hěn)大的測量(liang)誤差🔴，從而(er)産生供銷(xiāo)差叫，不利(lì)于正确測(cè)量。
　　對渦輪(lun)流量計的(de)動态響應(yīng)展開了分(fen)析研究，但(dàn)大多數研(yan)究🔞是以連(lián)續條件下(xià)的正弦脈(mò)動流爲分(fèn)析基礎。但(dàn)是生産實(shi)際⛷️現場，由(you)于管道振(zhèn)動、往複泵(beng)動作、調節(jiē)閥開度🐪變(biàn)換或者人(ren)爲幹預下(xia)等，産生的(de)脈⁉️動流并(bìng)不全是連(lian)續的正弦(xian)波脈動流(liu)。爲了進一(yi)步‼️讨論脈(mo)動流波形(xíng)對渦輪流(liu)量計的性(xing)能影響，用(yong)CFD仿真研究(jiū)不同波形(xíng)脈動流對(duì)渦輪流量(liàng)計的影響(xiang)情況。
1渦輪(lun)流量計數(shù)值仿真建(jian)模和模型(xíng)驗證
1.1渦輪(lún)流量計仿(páng)真模型建(jian)立
　　采用1.5級(ji)DN50氣體渦輪(lun)流量計爲(wei)研究對象(xiàng)，建立的内(nèi)部結構仿(páng)真模型，渦(wō)輪流量計(jì)基本參數(shu)如表1所示(shì)。在仿真實(shí)驗中,按🚶‍♀️照(zhao)标準安裝(zhuāng)方式設置(zhì)，前後直管(guǎn)段同軸設(shè)置,前直管(guǎn)段長♻️爲10D，後(hou)直管段5D。
　　抽(chōu)取管道流(liu)場，劃分網(wang)格，葉輪周(zhou)圍的流場(chang)如圖1所示(shi)。前後🌈直管(guǎn)段的網格(gé)尺寸爲2mm,葉(ye)輪周圍的(de)網格尺寸(cùn)爲1mm，葉輪㊙️邊(bian)沿的網格(ge)尺寸爲0.2mm，總(zong)共487471個單元(yuán)，2616035個節點。
 
表(biao)1渦輪流量(liang)計結構參(cān)數

1.2仿真邊(bian)界條件設(shè)置
　　入口采(cai)用速度入(ru)口條件(Velocity-inlet)，出(chū)口采用壓(ya)力出口條(tiáo)件🔞(Pressure-outlet)，湍流模(mó)型選擇Realizablek-ε模(mo)型，流體介(jie)質設置爲(wèi)空氣，葉輪(lún)爲鋁質材(cai)質，轉動慣(guàn)量爲1.25X10-6kg.m',選擇(ze)渦輪流量(liang)計的分界(jiè)流量點進(jìn)行數值仿(pang)真。入口速(sù)度由UDF給出(chū)，出口壓力(lì)爲0.5MPa,運動模(mo)型🏃🏻采用6DOF模(mó)型。
1.3仿真實(shi)驗設置脈(mò)動流參數(shù)設置
　　設置(zhì)渦輪流量(liàng)計平均入(rù)口流速爲(wei)2.83m/s。不同波形(xing)的脈動🌈流(liú)對🍓應的入(rù)口速度表(biao)達式分别(bie)如下:
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式中(zhōng)，V1、V2一分别爲(wèi)正弦波、方(fang)波的速度(du)入口的瞬(shùn)時速度，m/s;[]一(yi)表示向下(xià)取整函數(shù)，或稱爲高(gāo)斯函數;α一(yī)脈動流振(zhen)幅;ƒ一脈動(dong)流頻率。
　　在(zai)脈動流影(yǐng)響研究的(de)仿真實驗(yàn)中，脈動流(liu)的振幅🐆頻(pín)率參數如(rú)表2所示。
 
2穩(wěn)态響應分(fen)析
2.1儀表系(xì)數及其誤(wù)差分析
　　導(dǎo)出各工況(kuang)仿真葉輪(lun)穩定轉速(su)，取轉速平(ping)均值計算(suàn)🐪儀表系數(shù)K,與給定的(de)儀表系數(shu)K0(42.9)對比，計算(suan)K值相對🈲誤(wu)差，結果如(rú)表3所示。儀(yí)表✨系數的(de)相對誤差(chà)随頻率變(bian)化曲線如(ru)表👉3所示。
　　分(fen)析表3可知(zhī):(1)脈動流均(jun)會引起葉(yè)輪轉速偏(pian)高;(2)在相♍同(tóng)振幅下，方(fang)🔞波、正弦脈(mo)動流作用(yòng)下，葉輪穩(wěn)定轉速會(hui)随⭐着頻🈲率(lü)、振幅增加(jiā)而增加;脈(mò)動流作用(yòng)下，葉輪穩(wěn)定轉☎️速會(hui)随着頻率(lü)、振幅增加(jia)而減小;(3)對(dui)比K值相對(duì)誤差時，方(fāng)波脈動⭕流(liu)作用渦輪(lun)流量計産(chan)生始終是(shi)最大的，誤(wù)🌈差高達19.58%;正(zhèng)弦脈動流(liú)作用下，誤(wù)差最高爲(wei)9.79%。脈動流作(zuo)用下，最大(da)誤差爲🐪3.73%。
2.2幅(fú)值比G
　　爲了(le)分析渦輪(lun)流量計的(de)響應(轉速(sù)變化)與脈(mò)動流的⁉️幅(fú)值相對變(biàn)化情況，引(yin)入幅值比(bi)G:
 
　　式中:wi爲轉(zhuǎn)速穩定後(hòu)葉輪轉速(sù)的幅值;Aq爲(wei)入口流量(liang)的☂️脈動幅(fú)值🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。
　　分析幅(fu)值比G與脈(mo)動流頻率(lü)的關系可(ke)知:(1)幅值比(bi)G與脈動頻(pín)率🐅振幅均(jun)爲負相關(guān);(2)相同頻率(lü)和振幅下(xia)，方波的幅(fu)值比更大(da)，說明渦輪(lún)流量計對(duì)不同波形(xíng)脈動流的(de)♈敏感度存(cún)在差異。
3動(dong)态響應分(fen)析
3.1葉輪轉(zhuǎn)速響應曲(qǔ)線分析
　　葉(yè)輪轉速響(xiang)應可以直(zhi)觀地反映(yìng)出每個工(gong)況的響應(ying)過🛀🏻程，分析(xi)可知:(1)定常(cháng)流作用下(xià)的葉輪響(xiang)應曲線，與(yu)方波、正弦(xián)波作用下(xia)的🈲葉輪響(xiǎng)應曲線相(xiàng)差較大;(2)相(xiàng)同頻率的(de)不🌈同波形(xíng)脈動流作(zuo)用下，葉輪(lun)轉速響🐉應(yīng)與波形、振(zhen)幅均相關(guan);(3)相同頻🍓率(lǜ)和同波形(xing)的脈動流(liú)，振幅與轉(zhuan)速響應正(zhèng)相關。
3.2傳遞(dì)函數分析(xī)
　　通過對渦(wo)輪流量計(jì)旋轉穩定(dìng)後的增減(jian)流階躍響(xiang)應⭐進行✊仿(pang)真，入口流(liú)量點爲20m3/h，當(dang)葉輪轉速(sù)穩定後，分(fèn)别設置增(zēng)流、減流，增(zēng)流和減流(liú)調整量相(xiang)同，均爲原(yuan)流量的35%，得(dé)出渦😄輪流(liú)量計增減(jiǎn)流的階躍(yue)響應曲線(xiàn)，将渦輪流(liu)量計看作(zuò)一個帶延(yan)時的一階(jiē)系統。
　　由響(xiang)應曲線可(kě)以得出在(zài)增流減流(liu)中的傳遞(di)函數，函數(shù)繪制BODE圖，如(ru)圖2所示。
 

　　在(zai)BODE圖上可以(yi)看出，同一(yi)台渦輪流(liú)量計，在增(zēng)流和減流(liú)時的特性(xìng)是不一樣(yang)的:(1)增流響(xiǎng)應比減流(liu)響應快，所(suo)以🏃🏻渦輪流(liú)量計在脈(mò)動流作用(yong)下出現正(zhèng)誤差;(2)增流(liu)比減流作(zuo)用強，在減(jiǎn)流衰減更(geng)快;(3)在低頻(pín)率下，脈👅動(dòng)流誤差主(zhǔ)要與脈動(dong)振幅相關(guan);在高頻率(lǜ)下，脈動流(liu)誤差還與(yu)相位差有(you)關，相位差(chà)。
4結論
　　綜上(shàng)所述，對DN50氣(qi)體渦輪流(liu)量計建立(li)了仿真模(mo)型，展開CFD仿(páng)真研究。根(gen)據仿真結(jie)果,從穩态(tài)響應和動(dong)态響☂️應兩(liang)方面進行(háng)分析，得出(chū)以下結論(lun):
(1)脈動流影(yǐng)響下的渦(wō)輪流量計(ji)測量結果(guo)均會産生(sheng)正誤⛹🏻‍♀️差，但(dàn)是不同波(bō)形的脈動(dòng)流産生的(de)正誤差大(da)小不👈同，源(yuán)㊙️于葉🏃輪在(zài)增流、減流(liú)時的特性(xing)差異，增流(liú)響應快，減(jiǎn)流響應慢(man)。
(2)脈動流作(zuò)用下，入口(kou)流速與葉(yè)輪轉速的(de)相位差與(yǔ)🚩脈動頻率(lǜ)♻️呈正相關(guan)，低頻脈動(dong)流作用下(xià)應關注葉(ye)🧡輪慣性和(he)能量損耗(hào)♻️而産👌生測(ce)量誤差，高(gao)頻脈動流(liú)作用下應(ying)關注測量(liàng)結果的滯(zhì)♈後而産生(sheng)測量誤差(chà)。
　　綜上所述(shù)，不同波形(xíng)的脈動流(liu)對渦輪流(liu)量計的特(te)性㊙️影💯響有(yǒu)相似性，以(yi)正弦波脈(mò)動流爲基(ji)礎的渦輪(lun)流量計脈(mò)動流補償(cháng)研究是具(ju)有一定的(de)普适性。但(dàn)是如果要(yào)進一步提(tí)高渦輪流(liu)量計的計(jì)量精度，改(gǎi)善渦輪流(liú)量計的脈(mo)動流修正(zhèng)誤差，應該(gāi)不僅僅關(guan)🏃🏻‍♂️注脈動流(liu)的頻率和(hé)振幅。

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