摘要(yao):渦輪流量計 在(zai)油氣管道運輸(shu)、貿易計量中運(yùn)用相當廣泛，在(zài)很多工💋況下📐無(wú)可避免會産生(shēng)脈動流，對渦輪(lún)流量計的正常(cháng)工作造成嚴重(zhòng)影響。脈動流對(dui)渦輪流量計的(de)影響🤩情況和㊙️尋(xún)求補☔償關鍵特(tè)征，以DN50渦輪流量(liang)計爲對象，通過(guo)數值模拟，兩種(zhǒng)波🈲形(正弦波、方(fang)波)、多個🐇頻率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多(duo)個相對振幅(5%、10%、25%、35%)的(de)脈動流下渦輪(lún)🏃🏻流量計的動态(tai)特性。發現🙇‍♀️:在頻(pin)率和相對振幅(fu)相同的情況下(xià)，波👨‍❤️‍👨形對脈動流(liú)産生的正誤差(cha)大小不同。其中(zhōng)，方波脈動流比(bǐ)正弦波對渦💋輪(lun)流量計的影響(xiang)大。此外，相同頻(pín)率和振☁️幅下，方(fang)波脈動流比正(zhèng)弦波脈動流的(de)幅值比G大，且幅(fu)值比G與脈動頻(pín)率均爲負相關(guan)。最後利用傳遞(di)函數讨論了，入(ru)口流速與葉輪(lún)轉速的相位差(chà)與脈動頻率呈(cheng)正相關🐉，脈動頻(pín)🆚率會緻使測量(liàng)結果滞後，産❤️生(sheng)測量誤差。
0引言(yán)
　　渦輪流量計在(zai)油氣管道運輸(shu)、貿易計量中發(fā)揮着重要🌈作用(yong)，也常被用作工(gōng)作級标準表，因(yin)此對其性🌂能和(hé)穩定性要求高(gao)，渦輪流量計需(xu)要定期在穩定(ding)流态中修正儀(yi)表系數K以保證(zheng)✨精度。然而在天(tian)然氣管道運輸(shu)中，由于旋轉式(shi)或往複式壓氣(qi)機、鼓風機🔱、泵管(guǎn)道中流體的共(gong)振和流量控制(zhi)設備的周期振(zhèn)🤟蕩等，均可能導(dǎo)緻非穩态流産(chǎn)生。GB/T21391-2022《用氣體渦輪(lun)流量計測量天(tian)然氣流量》中明(ming)确給出脈動流(liú)是影響渦輪流(liu)量計測量準确(que)🛀🏻度的因素之一(yi)。脈動流作爲一(yi)種典型的非穩(wen)态流，一旦形成(cheng)就會在流體中(zhong)傳播，會對渦輪(lún)流量計現場應(yīng)用産生很大的(de)測量誤差，從而(er)産生供銷差叫(jiào)，不利于正确測(ce)量。
　　對渦輪流量(liang)計的動态響應(yīng)展開了分析研(yán)究，但大💛多數研(yán)究是🙇‍♀️以連續條(tiáo)件下的正弦脈(mò)動流爲分析基(jī)礎。但是生産👨‍❤️‍👨實(shi)際現場，由于管(guan)道振動、往複泵(beng)動🏒作、調節⁉️閥開(kāi)度⭐變換或者人(rén)爲幹預下等，産(chǎn)生的脈動流并(bìng)不全是連續的(de)正弦波脈動流(liú)。爲了進一步💋讨(tao)論脈動流波形(xing)對渦輪流量計(jì)的性能影響，用(yòng)CFD仿真研究不同(tóng)🌈波形脈動流對(dui)渦輪流量計的(de)影響情況。
1渦輪(lún)流量計數值仿(pang)真建模和模型(xing)驗證
1.1渦輪流量(liang)計仿真模型建(jiàn)立
　　采用1.5級DN50氣體(ti)渦輪流量計爲(wèi)研究對象，建立(li)的内部結構仿(pang)真模型，渦輪流(liú)量計基本參數(shù)如表1所示。在仿(pang)真🐆實驗中,按照(zhào)标🏃準安裝方式(shi)設置，前後直管(guan)段同軸設置,前(qian)直管段長爲10D，後(hòu)直管段5D。
　　抽取管(guǎn)道流場，劃分網(wǎng)格，葉輪周圍的(de)流場如圖1所示(shì)❓。前後♊直管段的(de)網格尺寸爲2mm,葉(ye)輪周圍的網格(gé)尺寸爲1mm，葉輪邊(biān)沿的網格尺❌寸(cùn)爲0.2mm，總共487471個單元(yuán)，2616035個節點🙇‍♀️。
 
表1渦輪(lun)流量計結構參(can)數

1.2仿(páng)真邊界條件設(she)置
　　入口采用速(sù)度入口條件(Velocity-inlet)，出(chu)口采用壓力出(chu)口條件(Pressure-outlet)，湍流模(mó)型選擇Realizablek-ε模型，流(liu)體介質設置爲(wèi)空氣，葉輪爲👄鋁(lü)質材質，轉動👅慣(guàn)量☀️爲1.25X10-6kg.m',選擇渦輪(lún)流量計的分界(jiè)流量點進行數(shu)值仿真。入口速(su)度由UDF給出，出口(kou)壓力爲0.5MPa,運動模(mó)型♈采用6DOF模型。
1.3仿(pang)真實驗設置脈(mo)動流參數設置(zhi)
　　設置渦輪流量(liàng)計平均入口流(liu)速爲2.83m/s。不同波形(xing)的脈動流對應(ying)的入口速度表(biao)達式分别如下(xia):
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式中，V1、V2一分别爲(wei)正弦波、方波的(de)速度入口的瞬(shun)時速度⚽，m/s;[]一表示(shi)🌈向下取整函數(shu)，或稱爲高斯函(han)數;α一脈動流振(zhèn)幅;ƒ一脈動流頻(pin)率。
　　在脈動流影(yǐng)響研究的仿真(zhen)實驗中，脈動流(liu)的振幅頻率參(can)💋數如表2所示。
 
2穩(wěn)态響應分析
2.1儀(yí)表系數及其誤(wu)差分析
　　導出各(ge)工況仿真葉輪(lun)穩定轉速，取轉(zhuan)速平均值計😍算(suan)💃儀表☎️系💚數K,與給(gěi)定的儀表系數(shù)K0(42.9)對比，計算K值相(xiàng)對🆚誤差，結果如(rú)表3所示👅。儀表系(xi)數的相對誤差(chà)随頻率變化曲(qu)線如表3所示。
　　分(fen)析表3可知:(1)脈動(dòng)流均會引起葉(yè)輪轉速偏高;(2)在(zài)相同振幅下，方(fang)波、正弦脈動流(liu)作用下，葉輪穩(wen)定轉速會随着(zhe)頻率、振幅增加(jiā)而增加;脈動流(liu)作用下，葉輪穩(wen)定轉速會随着(zhe)頻率、振幅增加(jia)而減小;(3)對比K值(zhí)相對誤差時，方(fang)波脈動流作用(yòng)渦輪流量計産(chan)生始終是最大(dà)的，誤差高達19.58%;正(zhèng)弦脈動流作用(yong)下，誤差最高🌈爲(wèi)9.79%。脈動流作用下(xià)，最大誤差爲3.73%。
2.2幅(fú)值比G
　　爲了分析(xi)渦輪流量計的(de)響應(轉速變化(huà))與脈動流的🤩幅(fu)值⛷️相對變化情(qing)況，引入幅值比(bi)G:
 
　　式中:wi爲轉速穩(wěn)定後葉輪轉速(su)的幅值;Aq爲入口(kou)流量🥰的脈動幅(fú)值。
　　分析幅值比(bi)G與脈動流頻率(lü)的關系可知:(1)幅(fu)值比G與脈動頻(pín)率振幅均爲負(fu)相關;(2)相同頻率(lü)和振幅下，方波(bo)的幅值比更🔱大(dà)，說明渦輪流量(liang)計對不同波形(xíng)脈動流的敏感(gǎn)度存在差異。
3動(dong)态響應分析
3.1葉(ye)輪轉速響應曲(qǔ)線分析
　　葉輪轉(zhuan)速響應可以直(zhí)觀地反映出每(měi)個工況的響應(yīng)過程，分析可知(zhī):(1)定常流作用下(xia)的葉輪響應曲(qǔ)線，與方波、正弦(xián)波🤩作用☁️下的葉(yè)輪響應曲線相(xiang)差較大;(2)相同頻(pín)率的不同波形(xing)脈動流🈲作用下(xià)，葉輪轉速響應(yīng)與波形🤞、振幅均(jun)相關;(3)相同頻♌率(lü)和同波形的脈(mo)動流，振幅與轉(zhuan)速響應正相關(guān)。
3.2傳遞函數分析(xī)
　　通過對渦輪流(liu)量計旋轉穩定(ding)後的增減流階(jiē)躍響👉應進🆚行🚶‍♀️仿(pang)真，入口流量點(diǎn)爲20m3/h，當葉輪轉速(sù)穩定後，分🏃‍♂️别設(shè)置增流、減流，增(zeng)❄️流和減流調整(zheng)量相同，均爲原(yuán)流量的✂️35%，得出渦(wō)輪流量💘計增減(jian)流的階👌躍響應(yīng)曲線，将渦輪流(liu)量計看作一個(gè)帶延時的一階(jiē)✂️系統。
　　由響應曲(qu)線可以得出在(zai)增流減流中的(de)傳遞函數，函數(shù)繪制BODE圖，如圖2所(suǒ)示。
 

　　在BODE圖上可以(yi)看出，同一台渦(wo)輪流量計，在增(zeng)流和減流時的(de)❄️特性是不一樣(yàng)的:(1)增流響應比(bi)減流響應快，所(suo)以渦輪流量計(jì)在脈動流作用(yòng)下出現正誤差(chà);(2)增流比減流作(zuò)用強，在減流衰(shuai)減更快;(3)在低頻(pín)率下，脈動流誤(wù)差主要與脈動(dong)振幅相關;在高(gao)頻率下，脈動流(liú)誤差還與相位(wèi)差有關，相位差(cha)。
4結論
　　綜上所述(shu)，對DN50氣體渦輪流(liu)量計建立了仿(pang)真模型，展開😄CFD仿(páng)真研究。根據仿(pang)真結果,從穩态(tài)響應和動态響(xiǎng)應兩方面進行(hang)分析，得出以下(xià)結論:
(1)脈動流影(ying)響下的渦輪流(liú)量計測量結果(guo)均會産生正誤(wu)差，但是不同波(bo)形的脈動流産(chan)生的正誤差大(dà)小不同，源于葉(yè)輪在增流、減流(liú)時的特性差異(yì)，增流響應快，減(jiǎn)流響應慢。
(2)脈動(dong)流作用下，入口(kou)流速與葉輪轉(zhuǎn)速的相位差與(yu)🔞脈動頻率💚呈🚶正(zheng)相關，低頻脈動(dòng)流作用下應關(guan)注葉輪慣性和(hé)🈲能量損耗而産(chǎn)🤟生測量誤差，高(gao)頻脈動流作用(yòng)下應關注測量(liàng)結🔴果的滯後而(ér)産生測量誤差(cha)。
　　綜上所述，不同(tong)波形的脈動流(liu)對渦輪流量計(jì)的特性影🌏響有(you)相似性，以正弦(xián)波脈動流爲基(ji)礎的渦輪流量(liàng)☁️計脈🈲動流🔴補償(chang)研究是具有一(yi)定的普适性。但(dan)是如果🚶要進一(yī)步提高渦輪流(liu)量計的計量精(jīng)度，改善渦輪流(liú)量計的脈動流(liú)修正⚽誤差，應該(gai)不僅僅關注脈(mo)動流的頻率和(hé)振幅。

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