摘要:渦輪流(liu)量計 在脈動(dong)流量下動态(tài)特性，利用FLUENT軟(ruǎn)件對渦輪流(liu)量計内脈動(dong)流場進行仿(páng)真計算。研究(jiū)中獲得了流(liú)量計在不同(tóng)脈🙇‍♀️動幅🈲值和(he)頻率下的瞬(shun)時輸出流量(liang)，通過🏃🏻正弦函(han)數拟合獲得(dé)各工況輸出(chū)流量的平均(jun1)值、脈動幅值(zhí)和初始相位(wei)，進而對渦輪(lún)流量計幅頻(pín)特性和相頻(pín)特性進行了(le)分析，幅頻特(tè)性随脈動頻(pin)率成線性降(jiang)低的趨勢，而(er)相頻特性随(suí)頻率增加而(er)增大而後趨(qu)于穩定。
0引言(yán)
　　渦輪流量計(jì)是典型的速(su)度式流量計(jì)「1-2)，通過測量葉(ye)輪的轉速來(lai)計算管道中(zhong)流體體積流(liu)量。穩定流動(dong)下渦輪流量(liang)計具有💋重複(fu)性好、量程範(fàn)圍寬、适應性(xing)⛹🏻‍♀️強、精度高、體(ti)積小等特點(diǎn)。但在工業領(lǐng)域的流量測(ce)量中，非穩态(tài)流動工況廣(guǎng)泛存在，如脈(mo)動流量。脈動(dong)💋流量可由旋(xuán)💃🏻轉式、往複式(shì)或其他可運(yun)動傳送設備(bèi)而産生，脈動(dong)流動--旦形成(chéng)就會在流體(tǐ)中傳播，将會(hui)對渦輪流量(liàng)計産🆚生較大(da)☎️的影響田。其(qi)脈動幅度和(he)脈動頻率的(de)變化均💋會對(duì)渦輪流量計(ji)動态特性産(chǎn)生一定的影(yǐng)響。頻率低、幅(fú)度小的脈動(dòng)流，一般👣情況(kuang)🤩下對流量測(cè)量影響不大(da)，但若脈動頻(pin)率💛較高或幅(fu)度較大時則(zé)将對流量計(ji)⚽的幅頻特性(xìng)和相頻特性(xing)産生很大影(yǐng)響。
　　利用CFD軟件(jian)對渦輪流量(liàng)計在正弦脈(mo)動流動下的(de)流場進行仿(páng)真計算，獲得(de)不同脈動頻(pín)率和幅度下(xià)渦輪流👌量計(jì)📧角速度曲線(xiàn)，進🔴而計算瞬(shùn)時流量，對渦(wo)輪流量計動(dong)态特性進行(hang)分析研究。
1渦(wō)輪流量計建(jiàn)模
1.1幾何模型(xing)
　　研究中針對(dui)DN32口徑的液體(ti)渦輪流量計(ji)展開，其機芯(xīn)👉内部🧑🏾‍🤝‍🧑🏼結構如(ru)圖1所示，主要(yào)包括前後導(dǎo)向件和葉輪(lún)三部分。對渦(wo)輪流量🆚計實(shi)🐇物的外形尺(chi)寸和位置關(guān)系等關🌍鍵尺(chi)寸進行測繪(huì)(表1爲渦輪流(liú)量計主要尺(chi)寸參數)，忽略(lue)流量計進出(chū)口連接形式(shì)等次要因素(su)🌂的影響，繪制(zhi)三維結構圖(tu)🌈如圖2所示。
 
 
1.2流(liu)體仿真模型(xing)
　　利用Gambit軟件進(jìn)行幾何建模(mo)和網格劃分(fèn)，爲使流動在(zai)流🎯量計入🈚口(kou)處達到充分(fèn)發展的流動(dong)狀态，分别在(zài)流量計的⛱️.上(shàng)遊設置10倍長(zhǎng)直管段，下遊(yóu)設置5倍直管(guǎn)段。将葉輪所(suǒ)在區域定義(yi)爲旋轉區域(yù)，其餘部分定(dìng).義爲靜止🔴區(qū)域，通過interface面将(jiang)動靜區域進(jin)行連接。旋轉(zhuǎn)區域及結構(gou)較複雜的區(qū)域采用非結(jié)🔆構化網格;直(zhi)管段等結構(gòu)較簡單的區(qu)域采用結構(gòu)化網格。
仿真(zhen)中選用ReynoldsStress(S-BLS)湍流(liu)模型，該模型(xíng)是最符合物(wù)理現象的模(mo)🏃‍♀️型，各向👉異性(xing)，輸運中的雷(lei)諾應力可直(zhi)接計算出來(lái)。模型計算時(shi)間較長，适合(he)大彎曲流線(xiàn)、漩渦以及三(san)維轉動流動(dòng)。選用RP-3航空煤(mei)油作爲流體(ti)介質，以實測(ce)介質密度和(he)粘💰度并設置(zhi)仿真流體參(can)數。設置🎯下遊(you)直管段出口(kou)爲自由出流(liu)(out-flow)條件，直🈚管段(duan)及流量🈲計殼(ke)體爲靜止壁(bì)面(wall);上遊直管(guan)段入口爲速(su)度入口(velocity-inlet)。
1.3仿真(zhen)方法
　　渦輪流(liu)量計葉輪受(shou)到流體沖擊(ji)時，對葉輪産(chan)生驅動🙇🏻力矩(jǔ)🔱，同🥰時受到各(ge)種阻力矩的(de)影響圖3是葉(ye)輪所💰受力🌈矩(ju)示意圖。葉輪(lun)轉動過程中(zhōng)受到流體對(dui)葉片👄的驅動(dòng)力矩Td，輪毂側(cè)面受到流體(tǐ)粘性阻力矩(jǔ)Th，輪毂端面受(shòu)到流體粘性(xìng)阻力矩Tw，葉片(pian)頂端受到流(liú)體粘性阻力(li)矩Tt，同時葉片(piàn)輪軸與軸承(cheng)之間存在機(ji)械阻💜力矩Tb，磁(cí)電信😘号檢出(chu)器産生磁電(diàn)阻力矩Tm。
 
　　式中(zhōng):J爲葉輪轉動(dòng)慣量;ɷ爲葉輪(lún)轉動角速度(dù);t爲運行時間(jian)，Trf爲流體阻力(lì)矩，Trf=Th+Tw+Tt。
　　采用6DOF模型(xing)實現對葉輪(lun)6個自由度的(de)控制，包括X，Y，Z方(fang)向的移動自(zì)由度和圍繞(rao)X，Y，Z軸的旋轉自(zì)由度。通過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏(hong)文🛀🏻件約♈束葉(yè)輪在X，Y，Z方向上(shàng)的移動以及(jí)圍繞X，Y軸的旋(xuan)轉，隻能圍繞(rao)Z軸(流✔️動方向(xiang))進行轉動。葉(ye)輪三維建模(mó)中選用的材(cai)🌍質與實際材(cái)質相同💞，即可(kě)獲得✉️葉輪的(de)轉動慣量。流(liú)體仿真中系(xì)統自行計算(suàn)流體驅動力(lì)矩、流體阻力(lì)矩🈲，忽🏃🏻略軸承(chéng)摩擦阻力矩(ju)和磁電阻♌力(li)矩。
　　仿真中通(tong)過UDF函數對上(shàng)遊直管段入(ru)口流速進行(háng)設置，流速通(tōng)🐇過式(2)和式(3)計(ji)算。
 
　　式中:qt爲入(ru)口瞬時體積(ji)流量;q0爲體積(jī)流量平均值(zhí)，Q0=16m3/h;A爲脈動幅度(du);ƒ爲🚶‍♀️脈動頻率(lü);t0爲脈動流量(liang)起始時刻，t0=0.0132s;Vt爲(wei)瞬時入👣口速(su)度平均值;Ain爲(wèi)上遊直管段(duan)入口截面積(ji)。
　　仿真初始葉(ye)輪轉速爲零(ling)，根據葉輪運(yun)動方程自動(dòng)計算和調㊙️整(zhěng)旋轉角速度(du)，直到葉輪趨(qu)于穩定狀态(tai)，仿真中各工(gōng)況在t,前✔️葉輪(lun)轉速已經達(da)到穩定狀态(tài)✨。
2仿真結果與(yu)試驗驗證
　　仿(páng)真計算中調(diào)整脈動幅度(dù)(A=5，10，15,20L/min)和脈動頻率(lǜ)(ƒ=5，10，15，20，30，40，50Hz)兩參數設置(zhi)，計算28個📧不同(tong)工況下流場(chang)，獲得葉輪轉(zhuan)速随時間變(biàn)化曲線🙇🏻，圖4時(shi)脈動頻率爲(wèi)20Hz和50Hz時的葉輪(lún)轉速曲線。
　　待(dài)流量計葉輪(lun)旋轉平穩後(hòu)，取to時刻前的(de)葉輪轉速通(tong)過式(4)計算儀(yi)表系數。
 
　　式中(zhong):K爲儀表系數(shù)，L-1;ɷ∞爲穩定葉輪(lun)轉速，rad/s;N爲渦輪(lun)葉片數量🤞，N=6;q0爲(wei)入口💁平均流(liu)量，m3/h。
　　經計算DN32渦(wō)輪流量計在(zai)16m3/h流量下，儀表(biǎo)系數K=160.6L-1。依據JJG1037-2008《渦(wo)輪✂️流量❓計檢(jian)定規程》，利用(yòng)流量标準裝(zhuang)置對渦輪流(liu)量計進行校(xiao)準試驗，獲得(dé)16m3/h流量下儀表(biǎo)系數K=161.7L-1，與仿真(zhēn)結果的儀表(biao)系數相差僅(jǐn)0.7%，仿真與校準(zhun)試驗一緻性(xing)非常好。
 
3動态(tai)特性分析
　　渦(wō)輪流量計瞬(shùn)時輸出流量(liàng)可由式(5)計算(suàn)。
 
　　式中:qm爲渦輪(lún)流量計瞬時(shí)流量，m3/h;ɷ爲葉輪(lún)瞬時轉速，rad/s.
　　由(you)于流量計前(qian)後導流件的(de)作用，導緻葉(yè)輪轉速和流(liú)量計💘瞬時流(liú)量存在小幅(fú)波動，圖5是ƒ=40Hz渦(wō)輪流量計👄瞬(shùn)時流量曲線(xiàn)👅，通過正弦函(hán)數對流量計(ji)瞬時流量進(jin)行拟💋合，拟合(he)函數爲
 
　　式中(zhong):qm0爲流量計輸(shū)出瞬時流量(liang)平均值，m3/h;ƒm爲流(liu)量計輸出脈(mò)動頻率，Hz;Am爲流(liú)量計輸出脈(mo)動幅度;tm0爲流(liú)量計輸出脈(mò)動流量起始(shi)時刻，:S。
　　仿真中(zhōng)28組工況拟合(he)結果決定系(xi)數都大于0.995，拟(nǐ)合效果非常(cháng)✏️好，拟合獲得(de)了各工況渦(wō)輪流量計輸(shū)出流量的平(ping)均❄️值qm0、脈動頻(pín)率ƒm、脈動幅度(dù)Am和脈動起始(shi)時刻tm0四個參(cān)數。流量計輸(shū)出幅頻特性(xing)和相頻特性(xing)分别通過式(shi)(7)和式(8)計算。
 
 
　　将(jiang)各工況正弦(xián)拟合曲線作(zuò)爲動态輸出(chu)，與入口瞬時(shí)流量🚶進🚩行比(bi)較，圖6是脈動(dòng)頻率分别爲(wèi)5，50Hz時渦輪流🔴量(liàng)計動态信号(hào)曲線圖，可見(jiàn)脈動幅值對(dui)相位差基本(běn)無影響。各工(gong)📞況流量計輸(shū)出流量的平(píng)均值比較恒(heng)定，變化範圍(wéi)是16.079~16.094m3/h，比🏃‍♀️輸入流(liú)量平均值偏(piān)大不足0.6%。圖🈲7是(shi)渦輪流量計(jì)幅頻特性與(yǔ)相頻特性曲(qu)線圖。A*随脈動(dong)頻率ƒ基本成(chéng)線性降低的(de)趨🌂勢，低頻情(qing)況下A*≈1，且略大(da)于1;随脈⭕動頻(pín)率增加，A*逐漸(jian)減小，在ƒ=50Hz時A*≈0.8。對(duì)于相位差而(ér)言，在ƒ<40Hz的範圍(wei)内，相🐇位差随(suí)脈動頻率增(zeng)加而增大，相(xiàng)位差由3.7°~4.8°增大(da)至20.9°~24.2°;在ƒ=40Hz之後，相(xiàng)位差趨于平(ping)穩。葉輪是渦(wo)輪流量計内(nèi)的唯---可動部(bù)件，葉輪在流(liú)✏️體驅動力👈矩(jǔ)和阻力矩作(zuo)用下産生加(jia)速度，由于葉(yè)輪自身轉動(dong)慣量的影響(xiǎng)，導緻葉輪角(jiǎo)速度變化滞(zhì)後于流量脈(mo)動流動變化(huà)，産生流量示(shì)值與真實之(zhī)間的相位差(cha)，而相位差受(shou)到流量計自(zi)身時間常數(shù)和流量🐆脈動(dong)輸入雙方面(mian)的綜合影響(xiang)，渦輪流量計(ji)一般認爲是(shi)一🔞階非線性(xìng)系統[1o]，其時☎️間(jiān)常數是随流(liu)量輸入而改(gai)變的。
 
 
4結論
　　研(yan)究中利用FLUENT軟(ruǎn)件中的6DOF模型(xing)對DN32口徑渦輪(lún)流量計進行(hang)流體仿真⛱️，仿(pang)真過程中改(gai)變入口流量(liàng)脈動幅值🈲和(hé)脈動頻率，共(gong)獲得28組工況(kuang)脈動流動下(xià)的流場。分析(xi)獲得🤞葉輪轉(zhuǎn)速随時間變(biàn)化曲線，并利(li)用正弦函數(shù)對流量計輸(shu)出進行拟合(hé)，獲得流量計(jì)瞬時流量的(de)平均值、脈動(dong)幅值和初始(shi)相位等參數(shù)，進一步獲得(de)了流量計幅(fu)頻特性和相(xiang)頻特性。各工(gōng)況流量計輸(shu)出流量平均(jun1)值可認爲是(shi)定值，幅頻特(te)性随脈動頻(pín)率成線性降(jiang)低的趨勢，而(er)相頻特性受(shou)㊙️到渦輪流量(liàng)計時間常數(shu)和脈動輸入(ru)綜合影響，在(zai)ƒ<40Hz的範圍内随(sui)頻率增加而(ér)增加，在ƒ=40Hz之🈲後(hou)，相頻特性趨(qu)🤩于平穩。
　　本仿(pang)真研究中，渦(wo)輪流量計規(guī)格單一且工(gōng)況較少，未來(lai)還♊需要結合(he)理論分析、實(shí)流試驗、流體(ti)仿真等多種(zhong)手段對渦輪(lun)流量計在脈(mò)動流動下動(dòng)态特性開展(zhǎn)研💛究，進一步(bu)探究‼️渦輪流(liú)量計動态響(xiǎng)應機理和修(xiu)正方㊙️法，提高(gāo)渦輪流量計(ji)在脈動流量(liàng)測量中的精(jing)度。

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