摘要:渦(wo)輪流量計(ji) 在油氣管(guan)道運輸、貿(mao)易計量中(zhong)運用相當(dang)廣泛，在很(hen)多工況下(xia)無可避免(mian)會産生脈(mo)動流，對渦(wo)輪流量計(ji)的正常工(gong)作造🈲成嚴(yan)重影🔞響。脈(mo)動流對渦(wo)輪流量計(ji)⛹🏻‍♀️的影響情(qing)況和♋尋求(qiu)補償關鍵(jian)特征，以DN50渦(wo)輪流量計(ji)爲對象，通(tong)過數值模(mo)拟，兩種波(bo)形(正弦波(bo)、方波)、多個(ge)頻率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個(ge)相對振幅(fu)(5%、10%、25%、35%)的脈動流(liu)下渦輪流(liu)量計的動(dong)♍态特性。發(fa)現:在頻率(lü)和相對振(zhen)幅相同的(de)情況下，波(bo)形對脈動(dong)流産生⭐的(de)正誤差大(da)小不同。其(qi)中，方波脈(mo)動流比正(zheng)弦波對渦(wo)輪流量計(ji)的影響大(da)。此外，相同(tong)頻率和振(zhen)幅下，方波(bo)脈動流比(bi)正弦波脈(mo)動流的幅(fu)值比G大，且(qie)幅值比G與(yu)脈動頻率(lü)均爲負相(xiang)關。最後利(li)🌍用傳遞函(han)數讨論了(le)，入口流速(su)與葉輪轉(zhuan)速的相位(wei)♊差與脈動(dong)頻率呈正(zheng)相關，脈動(dong)頻率會緻(zhi)使測量結(jie)果滞後，産(chan)生測量誤(wu)差。
0引言
　　渦(wo)輪流量計(ji)在油氣管(guan)道運輸、貿(mao)易計量中(zhong)發揮着重(zhong)要作用，也(ye)常被用作(zuo)工作級标(biao)準表，因此(ci)對其性能(neng)和穩定性(xing)要🈲求高，渦(wo)輪流量計(ji)需要定期(qi)在穩定流(liu)态中修正(zheng)儀表系數(shu)K以保證精(jing)度。然而在(zai)天然氣管(guan)道運輸🌐中(zhong)，由于旋轉(zhuan)式或往📞複(fu)式壓氣機(ji)、鼓風機、泵(beng)管道中流(liu)體的共振(zhen)和流量控(kong)制設備的(de)周期振💞蕩(dang)等，均可能(neng)導緻非穩(wen)态流産生(sheng)。GB/T21391-2022《用氣體渦(wo)輪流量計(ji)測量天然(ran)氣流量》中(zhong)明确給出(chu)脈動流是(shi)影響渦🙇🏻輪(lun)流量計測(ce)量準确度(du)的因素之(zhi)一。脈動☁️流(liu)作爲一種(zhong)典型的⁉️非(fei)穩态流，一(yi)旦形成就(jiu)會在流體(ti)中傳播🔆，會(hui)對渦輪流(liu)量計♍現場(chang)應用産生(sheng)很大的🐕測(ce)量誤差，從(cong)而産生供(gong)銷差叫，不(bu)利于正确(que)測量。
　　對渦(wo)輪流量計(ji)的動态響(xiang)應展開了(le)分析研究(jiu)，但大📱多數(shu)研⭕究🚶是以(yi)連續條件(jian)下的正弦(xian)脈動流爲(wei)分析♍基礎(chu)。但是生産(chan)♌實際現場(chang)，由于管道(dao)振動、往複(fu)泵動作、調(diao)節閥開度(du)變換或者(zhe)人爲幹預(yu)下等，産生(sheng)的脈動流(liu)并不全是(shi)連續的正(zheng)弦波脈動(dong)流。爲了進(jin)一步☀️讨論(lun)脈動流波(bo)形對渦輪(lun)流量計的(de)性能影響(xiang)，用CFD仿㊙️真研(yan)究不同波(bo)🔆形脈動流(liu)對渦輪流(liu)量計的影(ying)響情況。
1渦(wo)輪流量計(ji)數值仿真(zhen)建模和模(mo)型驗證
1.1渦(wo)輪流量計(ji)仿真模型(xing)建立
　　采用(yong)1.5級DN50氣體渦(wo)輪流量計(ji)爲研究對(dui)象，建立的(de)内部結構(gou)仿🤞真模型(xing)，渦輪流量(liang)計基本參(can)數如表1所(suo)示。在仿真(zhen)實驗中,按(an)照标⁉️準安(an)裝方式設(she)置，前後直(zhi)管段同軸(zhou)設♻️置,前直(zhi)管段長🔞爲(wei)10D，後直管段(duan)5D。
　　抽取管道(dao)流場，劃分(fen)網格，葉輪(lun)周圍的流(liu)場如圖1所(suo)示。前🈲後直(zhi)👈管段的網(wang)格尺寸爲(wei)2mm,葉輪周圍(wei)的網格尺(chi)寸爲1mm，葉輪(lun)邊沿的網(wang)🔅格尺寸爲(wei)0.2mm，總共487471個單(dan)元，2616035個節點(dian)🐆。
 
表1渦輪流(liu)量計結構(gou)參數

1.2仿真(zhen)邊界條件(jian)設置
　　入口(kou)采用速度(du)入口條件(jian)(Velocity-inlet)，出口采用(yong)壓力出口(kou)條件(Pressure-outlet)，湍流(liu)模型選擇(ze)Realizablek-ε模型，流體(ti)介質設置(zhi)爲空氣，葉(ye)輪爲鋁質(zhi)材質，轉動(dong)慣量☔爲1.25X10-6kg.m',選(xuan)♌擇渦輪流(liu)量計的分(fen)界流量點(dian)進行數值(zhi)仿真。入口(kou)速度由UDF給(gei)出，出口壓(ya)力爲0.5MPa,運動(dong)模型采用(yong)6DOF模型。
1.3仿真(zhen)實驗設置(zhi)脈動流參(can)數設置
　　設(she)置渦輪流(liu)量計平均(jun)入口流速(su)爲2.83m/s。不同波(bo)形的脈動(dong)流對應的(de)入口速度(du)表達式分(fen)别如下:
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式(shi)中，V1、V2一分别(bie)爲正弦波(bo)、方波的速(su)度入口的(de)瞬時速度(du)，m/s;[]一表示向(xiang)下取整函(han)數，或稱爲(wei)高斯函數(shu);α一脈動流(liu)振幅;ƒ一脈(mo)動流頻率(lü)。
　　在脈動流(liu)影響研究(jiu)的仿真實(shi)驗中，脈動(dong)流的振幅(fu)⭐頻率參數(shu)如表2所示(shi)。
 
2穩态響應(ying)分析
2.1儀表(biao)系數及其(qi)誤差分析(xi)
　　導出各工(gong)況仿真葉(ye)輪穩定轉(zhuan)速，取轉速(su)平均值計(ji)算儀表系(xi)數K,與給定(ding)的儀表系(xi)數K0(42.9)對比，計(ji)算K值相對(dui)誤差，結果(guo)㊙️如表3所示(shi)👄。儀表系數(shu)的相對誤(wu)差随頻率(lü)變化曲‼️線(xian)如表3所示(shi)。
　　分析表3可(ke)知:(1)脈動流(liu)均會引起(qi)葉輪轉速(su)偏高;(2)在相(xiang)同振幅🈲下(xia)，方波、正弦(xian)脈動流作(zuo)用下，葉輪(lun)穩定轉速(su)會随着頻(pin)率、振🚩幅增(zeng)加而增加(jia);脈動流作(zuo)用下，葉輪(lun)穩定轉速(su)會随🐕着頻(pin)率、振幅增(zeng)加而減小(xiao);(3)對比K值相(xiang)🏃對誤差時(shi)🌈，方波脈動(dong)⭕流作用渦(wo)♍輪流量計(ji)産生始終(zhong)是最大的(de)，誤差高達(da)19.58%;正弦脈動(dong)流作用下(xia)，誤差最高(gao)♌爲9.79%。脈動流(liu)作🙇🏻用下，最(zui)大誤差爲(wei)3.73%。
2.2幅值比G
　　爲(wei)了分析渦(wo)輪流量計(ji)的響應(轉(zhuan)速變化)與(yu)脈動流的(de)幅✨值相對(dui)變化情況(kuang)，引入幅值(zhi)比G:
 
　　式中:wi爲(wei)轉速穩定(ding)後葉輪轉(zhuan)速的幅值(zhi);Aq爲入口流(liu)量的脈動(dong)幅值。
　　分析(xi)幅值比G與(yu)脈動流頻(pin)率的關系(xi)可知:(1)幅值(zhi)比G與🌈脈🐇動(dong)⚽頻率振幅(fu)均爲負相(xiang)關;(2)相同頻(pin)率和振幅(fu)下，方波的(de)幅值比更(geng)大，說🏃‍♂️明渦(wo)輪流量計(ji)對不同波(bo)形脈動流(liu)的💞敏感度(du)存在差異(yi)。
3動态響應(ying)分析
3.1葉輪(lun)轉速響應(ying)曲線分析(xi)
　　葉輪轉速(su)響應可以(yi)直觀地反(fan)映出每個(ge)工況的響(xiang)應過程，分(fen)析可知:(1)定(ding)常流作用(yong)下的葉輪(lun)響應曲線(xian)，與方波、正(zheng)弦波✌️作用(yong)👅下的🔆葉輪(lun)響應曲線(xian)相差較大(da);(2)相同頻💁率(lü)的不同波(bo)形🤞脈動流(liu)作用下，葉(ye)輪轉速響(xiang)應與波形(xing)😄、振幅均相(xiang)關;(3)相同頻(pin)率和同波(bo)形的脈動(dong)流，振幅與(yu)轉🏒速響應(ying)正相關。
3.2傳(chuan)遞函數分(fen)析
　　通過對(dui)渦輪流量(liang)計旋轉穩(wen)定後的增(zeng)減流階躍(yue)響應進行(hang)🐕仿真，入口(kou)流量點爲(wei)20m3/h，當葉輪轉(zhuan)速穩定後(hou)，分别設置(zhi)增流、減流(liu)，增流和減(jian)流調整量(liang)相同，均爲(wei)原流量的(de)35%，得出渦輪(lun)流量計增(zeng)減流的階(jie)躍響應曲(qu)線，将渦輪(lun)流量計看(kan)作一個帶(dai)延時的一(yi)階🚩系統。
　　由(you)響應曲線(xian)可以得出(chu)在增流減(jian)流中的傳(chuan)遞函數🌐，函(han)數繪制BODE圖(tu)，如圖2所示(shi)。
 

　　在BODE圖上可(ke)以看出，同(tong)一台渦輪(lun)流量計，在(zai)增流和減(jian)流✂️時的特(te)✏️性是不一(yi)樣的:(1)增流(liu)響應比減(jian)流響應快(kuai)，所以渦輪(lun)流量計在(zai)脈動流作(zuo)用下出現(xian)正誤差;(2)增(zeng)☂️流比減流(liu)作用強，在(zai)減流衰減(jian)更快;(3)在低(di)頻率下，脈(mo)動流誤差(cha)主要與脈(mo)動振幅相(xiang)關;在高頻(pin)率下，脈動(dong)流誤差還(hai)與相位差(cha)有關，相位(wei)差。
4結論
　　綜(zong)上所述，對(dui)DN50氣體渦輪(lun)流量計建(jian)立了仿真(zhen)模型，展開(kai)CFD仿真研❤️究(jiu)。根據仿真(zhen)結果,從穩(wen)态響應和(he)動态響應(ying)兩方面進(jin)行分析，得(de)出以下結(jie)論:
(1)脈動流(liu)影響下的(de)渦輪流量(liang)計測量結(jie)果均會産(chan)生🧡正🈲誤🔞差(cha)，但是♻️不同(tong)波形的脈(mo)動流産生(sheng)的正誤差(cha)大小不同(tong)，源于葉輪(lun)在增流、減(jian)流時的特(te)性差異，增(zeng)流響應快(kuai)，減流響應(ying)慢。
(2)脈動流(liu)作用下，入(ru)口流速與(yu)葉輪轉速(su)的相位差(cha)與脈動頻(pin)率呈正相(xiang)關，低頻脈(mo)動流作用(yong)下應關注(zhu)葉輪慣性(xing)和能量損(sun)耗而産🤩生(sheng)測量誤差(cha)，高頻脈動(dong)流作用下(xia)應關注測(ce)量結果的(de)滯後而産(chan)生測量誤(wu)差。
　　綜上所(suo)述，不同波(bo)形的脈動(dong)流對渦輪(lun)流量計的(de)特性影🍓響(xiang)有相似性(xing)，以正弦波(bo)脈動流爲(wei)基礎的渦(wo)輪流量計(ji)脈動流💞補(bu)償研究是(shi)具有一定(ding)的普适性(xing)。但是如果(guo)要進一步(bu)提高渦輪(lun)流❗量計的(de)計量精度(du)，改善渦輪(lun)流量計的(de)脈動流修(xiu)正誤差，應(ying)該不僅僅(jin)關🌍注脈動(dong)流的頻率(lü)和振幅。

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