摘(zhai)要:渦輪流量計 在(zai)脈動流量下動态(tai)特性，利用FLUENT軟件對(dui)渦輪流量計内脈(mo)🔴動流場進行仿真(zhen)計算。研究中獲得(dé)了流量計在不🧡同(tóng)脈🏃動幅值和頻率(lǜ)❌下的瞬時輸出流(liú)量，通過正弦函數(shu)拟合獲得各工況(kuang)輸出流量的平均(jun)值、脈動幅值和初(chū)始相位，進而對渦(wo)輪流量計幅頻特(tè)性和相頻特性進(jin)行了分析，幅頻特(tè)性随脈動頻率成(chéng)線性降低的趨勢(shi)，而相頻特性随頻(pín)率增加而增大而(er)後趨于穩定。
0引言(yan)
　　渦輪流量計是典(diǎn)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(guan)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(wei)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(fan)存在，如脈動流量(liàng)。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(mo)動頻率的變化均(jun1)會對渦輪流量計(jì)動态特性産生一(yī)定的影響。頻率低(dī)、幅度小的脈動流(liú)，一般☎️情況下對流(liú)量測量影響不大(dà)，但若脈動頻率較(jiào)高或幅度較大時(shi)則将對流量計的(de)幅頻特性和相頻(pin)特性産生很大影(yǐng)響。
　　利用CFD軟件對渦(wo)輪流量計在正弦(xián)脈動流動下的流(liu)場進行仿真👣計算(suan)，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(shi)流量，對渦輪流量(liàng)計動态特㊙️性進行(hang)分析研究。
1渦輪流(liú)量計建模
1.1幾何模(mó)型
　　研究中針對DN32口(kou)徑的液體渦輪流(liu)量計展開，其機芯(xīn)内部結💘構如圖1所(suo)示，主要包括前後(hou)導向件和葉輪三(san)部分。對渦輪流量(liang)計實物的外形尺(chǐ)寸和位置關系等(deng)關鍵尺寸進行測(ce)繪(表1爲渦輪流量(liàng)計主要尺寸參數(shù))，忽略流量計進出(chu)口連接形式等次(cì)要因素🥰的影響，繪(hui)制三維結構圖如(rú)圖2所示。
 
 
1.2流(liú)體仿真模型
　　利用(yong)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(fen)發展的流動狀态(tai)，分别在流量計的(de).上遊設置10倍長💋直(zhi)管段，下遊設置5倍(bèi)直管🌈段。将葉輪所(suǒ)在❌區域定義爲旋(xuan)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(fei)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(mó)型是最符合物理(li)現象🔱的模型🤟，各向(xiang)異性，輸運中的雷(léi)諾應力可直接計(ji)算‼️出來。模型計算(suan)時間較長，适合大(dà)彎曲流線、漩渦以(yi)及三維轉動流動(dong)。選用RP-3航空煤🐆油作(zuò)爲流體介質，以實(shi)測介質密度和粘(zhān)度并設置仿真流(liú)體✌️參數。設置下遊(yóu)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(li)矩Th，輪毂端面受到(dao)流體粘性🏃🏻‍♂️阻力矩(ju)Tw，葉片頂端受🛀🏻到流(liu)體粘性阻力矩Tt，同(tong)時葉片輪軸與軸(zhóu)承之間存在機械(xiè)阻力矩Tb，磁電信号(hào)檢出器産生磁電(dian)阻力矩Tm。
 
　　式中:J爲葉(ye)輪轉動慣量;ɷ爲葉(yè)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(xing)實現對葉輪6個自(zi)由度的控制，包括(kuo)X，Y，Z方向的移動自由(yóu)度和圍繞X，Y，Z軸的旋(xuan)轉自由度。通過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏(hóng)文件約束葉輪在(zai)X，Y，Z方向上的移動以(yi)及圍繞X，Y軸的旋轉(zhuan)，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(ji)材質相同📧，即可獲(huo)得葉輪的轉動慣(guan)量。流體仿真中系(xì)統自行計算流體(ti)驅動力矩、流體阻(zu)力矩🥵，忽略軸承摩(mó)擦阻♊力矩和磁電(diàn)阻力矩。
　　仿真中通(tōng)過UDF函數對上遊直(zhí)管段入口流速進(jìn)行設置，流速通過(guò)式(2)和式(3)計算。
 
　　式中(zhōng):qt爲入口瞬時體積(ji)流量;q0爲體積流量(liang)平均值，Q0=16m3/h;A爲🤩脈📐動🈚幅(fú)度;ƒ爲脈動頻率;t0爲(wèi)脈動流量起始時(shí)刻，t0=0.0132s;Vt爲瞬時入口速(su)度平💯均值;Ain爲上遊(yóu)直管段入口截面(mian)積。
　　仿真初始葉輪(lún)轉速爲零，根據葉(yè)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(pang)真中各工況在t,前(qian)葉輪轉速已經達(da)到穩定狀态。
2仿真(zhen)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(dong)頻率(ƒ=5，10，15，20，30，40，50Hz)兩參數設✍️置(zhi)，計算28個📱不同工況(kuàng)下流場，獲得葉輪(lún)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(lún)轉速曲線。
　　待流量(liàng)計葉輪旋轉平穩(wěn)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(wěn)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(jì)算DN32渦輪流量計在(zài)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(wo)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(xì)數相差僅0.7%，仿真與(yǔ)校準試驗一緻性(xing)非✌️常好。
 
3動态特性(xìng)分析
　　渦輪流量計(jì)瞬時輸出流量可(kě)由式(5)計算。
 
　　式中:qm爲(wèi)渦輪流量計瞬時(shi)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(zuo)用，導緻葉輪轉速(sù)和流量計瞬時流(liú)量存在小幅波動(dong)，圖5是ƒ=40Hz渦輪流量計(jì)瞬時流量曲線，通(tong)過正弦函數對流(liu)量計瞬時流量進(jìn)行拟合，拟合函數(shù)爲
 
　　式中:qm0爲流量計(ji)輸出瞬時流量平(píng)均值，m3/h;ƒm爲流量計輸(shū)💃🏻出脈動頻率，Hz;Am爲流(liú)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(kuàng)拟合結果決定系(xi)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(lún)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(mo)動起始時刻tm0四個(gè)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(xian)作爲動态輸出，與(yǔ)入口瞬💘時流量進(jìn)行比較，圖6是脈動(dong)頻率分别爲5，50Hz時渦(wō)輪流量計動态信(xìn)号曲線圖，可見脈(mò)動幅值對相位差(cha)基本無影響。各工(gong)況流量計輸出流(liu)量的🔴平均值比較(jiào)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(pin)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(qing)況下A*≈1，且略😍大于1;随(suí)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(sui)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(lún)是渦輪流量計内(nei)的唯---可動🌏部件，葉(yè)輪在流體驅動力(lì)⭐矩和阻力矩作用(yòng)下産生加速度，由(you)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(liú)量示值與真實💘之(zhī)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(shuāng)方面的綜合影響(xiang)，渦👣輪流量計一般(bān)認爲是一階非線(xian)🈲性系統[1o]，其時間常(cháng)數是随流🔞量輸入(ru)而♈改變的。
 
 
4結論
　　研(yan)究中利用FLUENT軟件中(zhong)的6DOF模型對DN32口徑渦(wō)輪流量計進行流(liu)體仿真，仿真過程(cheng)中改變入口流量(liang)脈動幅值和脈動(dong)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(biàn)化曲線，并利用正(zheng)弦函數對流量🏒計(jì)輸出進🏃行拟合，獲(huo)得流量計🤟瞬時流(liú)量🌂的平均值、脈動(dong)幅值和初始相位(wei)等參數，進一步獲(huo)💋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(ke)認爲是定值，幅頻(pín)特性随脈動頻率(lü)成線性降低的💃🏻趨(qū)勢，而相頻特性受(shou)到渦輪流量計時(shi)間常數和脈動輸(shu)入綜合影響，在ƒ<40Hz的(de)範圍内随頻率增(zēng)加而增加，在ƒ=40Hz之後(hòu)，相頻特性趨于平(píng)穩。
　　本仿真研究中(zhong)，渦輪流量計規格(ge)單一且工況較少(shao)🆚，未來還需要結合(hé)理論分析、實流試(shì)驗、流體仿真等多(duo)種手段對渦輪流(liú)量計在脈動流動(dòng)下動态特性開展(zhǎn)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(liàng)測量中🈲的精度。

本(ben)文來源于網絡,如(ru)有侵權聯系即删(shan)除！