摘要(yào):渦輪流(liú)量計 在(zai)油氣管(guǎn)道運輸(shu)、貿易計(jì)量中運(yun)用相當(dang)廣泛，在(zai)很多工(gong)況下無(wú)可避免(miǎn)會産生(shēng)脈動流(liú)，對渦輪(lun)流量計(ji)的正常(cháng)工作造(zào)🐅成嚴重(zhòng)影響。脈(mo)動流對(duì)渦輪流(liu)量計的(de)影響情(qíng)況和尋(xun)求補😍償(cháng)關鍵特(tè)征，以DN50渦(wō)輪流量(liang)計🔴爲對(duì)象，通過(guò)數值模(mó)拟，兩種(zhong)波形(正(zheng)弦波🐉、方(fang)波)、多個(gè)頻率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多(duō)個相🌈對(duì)振幅(5%、10%、25%、35%)的(de)脈動流(liu)下渦輪(lun)流量計(jì)的動💃🏻态(tài)特性。發(fā)現:在頻(pín)率和相(xiang)對振幅(fú)相同的(de)情況下(xià)，波📱形對(duì)脈動流(liu)産生的(de)正誤差(chà)大小不(bu)同。其中(zhōng)，方波脈(mò)動💃流比(bi)正弦波(bo)對渦輪(lun)流量計(ji)的影響(xiǎng)大。此外(wai)，相同頻(pin)率和振(zhen)幅下，方(fang)波脈🏃動(dong)流比⭐正(zheng)弦波脈(mo)動流🚶的(de)幅值比(bǐ)G大，且幅(fú)值比G與(yu)脈動頻(pín)率均爲(wei)負相關(guān)。最後利(lì)用傳遞(di)函數讨(tao)論了，入(rù)口流速(sù)與葉輪(lun)轉速的(de)相位🔴差(chà)與🌐脈動(dòng)頻率呈(chéng)正相關(guan)，脈動頻(pín)率會緻(zhì)使測量(liang)結果滞(zhi)後，産生(shēng)測量誤(wù)差。
0引言(yan)
　　渦輪流(liu)量計在(zài)油氣管(guan)道運輸(shū)、貿易計(ji)量中發(fa)揮着重(zhòng)要作用(yòng)，也常被(bèi)用作工(gōng)作級标(biāo)準表，因(yīn)此對其(qí)性能和(hé)穩定性(xing)要求高(gao)，渦輪流(liú)量計需(xu)要定期(qī)在穩定(dìng)流态中(zhong)修正儀(yi)表系數(shu)K以保證(zheng)精度。然(rán)而在天(tiān)然氣管(guǎn)道運輸(shū)中，由于(yu)旋轉式(shì)或往複(fu)式壓氣(qi)🥵機、鼓風(feng)機㊙️、泵管(guǎn)道中流(liú)體的共(gòng)振和流(liu)量控制(zhi)設備的(de)周期振(zhèn)蕩等，均(jun)可能導(dao)緻非穩(wen)态流産(chan)生。GB/T21391-2022《用氣(qì)體渦輪(lún)流量計(ji)測量天(tian)然氣流(liu)量》中明(míng)确給出(chu)脈動流(liu)是影響(xiǎng)渦輪流(liú)量計測(ce)量準确(que)🐇度的因(yīn)素之一(yī)。脈動流(liu)作爲一(yī)種典型(xing)的非穩(wěn)态流，一(yi)旦形成(cheng)就會在(zai)流體中(zhōng)傳播，會(huì)對渦輪(lun)流量計(jì)現場應(ying)用産生(sheng)很大的(de)測量誤(wù)差，從而(er)産生供(gong)銷差叫(jiào)，不利于(yú)🌈正确測(cè)量。
　　對渦(wo)輪流量(liàng)計的動(dòng)态響應(yīng)展開了(le)分析研(yan)究，但大(dà)多✉️數研(yan)究是以(yi)連續條(tiao)件下的(de)正弦脈(mò)動流爲(wèi)分析基(ji)礎。但是(shi)生産實(shi)際現場(chǎng)，由于管(guǎn)道振動(dong)、往複泵(bèng)動作、調(diao)節閥開(kāi)度變換(huàn)或者人(ren)爲幹預(yu)下♉等，産(chǎn)生的脈(mo)動流并(bing)不全是(shì)連續的(de)正弦波(bō)🏃脈動流(liú)。爲了進(jìn)一步讨(tǎo)論脈動(dòng)流波形(xíng)對渦輪(lún)♌流量計(jì)的性能(neng)影響，用(yong)CFD仿真研(yán)究不同(tóng)波形脈(mò)動流對(dui)渦輪流(liu)量計的(de)影響情(qing)況。
1渦輪(lun)流量計(jì)數值仿(pang)真建模(mo)和模型(xing)驗證
1.1渦(wo)輪流量(liang)計仿真(zhēn)模型建(jian)立
　　采用(yong)1.5級DN50氣體(ti)渦輪流(liú)量計爲(wèi)研究對(dui)象，建立(li)的内部(bu)結構仿(páng)真模型(xing)，渦輪流(liu)量計基(ji)本參數(shù)如表1所(suo)示。在😘仿(pang)真實驗(yan)中,按💋照(zhào)标準安(ān)裝方式(shi)設置，前(qián)後直管(guǎn)段🥰同軸(zhóu)設置,前(qian)直🏃‍♀️管段(duan)長爲10D，後(hou)直管段(duàn)5D。
　　抽取管(guan)道流場(chang)，劃分網(wang)格，葉輪(lun)周圍的(de)流場如(ru)圖1所示(shi)。前後直(zhí)管段的(de)網格尺(chi)寸爲2mm,葉(ye)輪周圍(wéi)的網格(gé)尺⛱️寸爲(wei)1mm，葉輪邊(bian)沿的網(wang)🚶‍♀️格尺寸(cùn)爲0.2mm，總共(gong)487471個單元(yuan)，2616035個節點(dian)。
 
表1渦輪(lun)流量計(ji)結構參(cān)數

1.2仿(páng)真邊界(jie)條件設(shè)置
　　入口(kou)采用速(sù)度入口(kou)條件(Velocity-inlet)，出(chu)口采用(yòng)壓力出(chū)口條件(jiàn)(Pressure-outlet)，湍流💁模(mó)型📞選擇(zé)Realizablek-ε模型，流(liú)體介質(zhi)設置爲(wèi)空氣，葉(yè)輪爲鋁(lǚ)質✨材質(zhi)，轉動慣(guàn)量爲1.25X10-6kg.m',選(xuan)👈擇渦輪(lún)流量計(jì)的分界(jiè)流🙇‍♀️量點(dian)進行數(shù)值仿真(zhēn)。入口速(su)度由UDF給(gěi)出🐕，出口(kou)壓力爲(wei)🏃0.5MPa,運動模(mó)型采用(yòng)6DOF模型。
1.3仿(pang)真實驗(yàn)設置脈(mo)動流參(can)數設置(zhi)
　　設置渦(wo)輪流量(liàng)計平均(jun1)入口流(liu)速爲2.83m/s。不(bu)同波形(xing)的脈動(dòng)流對應(ying)的入口(kǒu)速度表(biao)達式分(fen)别如下(xià):
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式中，V1、V2一(yī)分别爲(wèi)正弦波(bo)、方波的(de)速度入(rù)口的瞬(shùn)時速度(du)，m/s;[]一表示(shi)向下取(qu)整函數(shu)，或稱爲(wei)高斯函(han)數;α一脈(mo)動流振(zhèn)幅;ƒ一脈(mo)動流頻(pin)率。
　　在脈(mo)動流影(yǐng)響研究(jiū)的仿真(zhēn)實驗中(zhong)，脈動流(liú)的振幅(fú)頻率參(cān)數如表(biao)2所示。
 
2穩(wěn)态響應(ying)分析
2.1儀(yi)表系數(shù)及其誤(wù)差分析(xi)
　　導出各(ge)工況仿(páng)真葉輪(lun)穩定轉(zhuǎn)速，取轉(zhuǎn)速平均(jun)值計算(suan)儀表系(xì)數K,與給(gei)定的儀(yi)表系數(shu)K0(42.9)對比，計(ji)算K值相(xiàng)對誤差(chà)，結果如(ru)表🐉3所示(shì)♉。儀表系(xì)數的相(xiang)對誤差(chà)随頻率(lü)變化曲(qu)線如表(biǎo)🍉3所示。
　　分(fen)析表3可(kě)知:(1)脈動(dong)流均會(hui)引起葉(yè)輪轉速(sù)偏高;(2)在(zài)相同振(zhen)幅下，方(fāng)波、正弦(xián)脈動流(liú)作用下(xia)，葉輪穩(wen)定轉速(su)會随✏️着(zhe)頻🛀🏻率、振(zhèn)幅增加(jia)而增加(jia);脈動流(liu)作用下(xià)，葉輪穩(wěn)定轉速(sù)會随🙇🏻着(zhe)頻率、振(zhen)幅增加(jia)而減小(xiao);(3)對比K值(zhí)相對誤(wu)差時🏃，方(fāng)波脈動(dong)😘流作用(yong)渦輪流(liu)量計産(chǎn)生始終(zhōng)是最大(da)的，誤差(chà)高達19.58%;正(zhèng)弦🤩脈動(dong)流作用(yòng)下，誤差(cha)最高😘爲(wei)9.79%。脈動流(liú)作用下(xià)，最大誤(wù)差爲3.73%。
2.2幅(fu)值比G
　　爲(wei)了分析(xī)渦輪流(liú)量計的(de)響應(轉(zhuǎn)速變化(hua))與脈動(dong)流的幅(fú)值🥰相對(dui)變化情(qíng)況，引入(ru)幅值比(bǐ)G:
 
　　式中:wi爲(wei)轉速穩(wěn)定後葉(yè)輪轉速(su)的幅值(zhí);Aq爲入口(kǒu)流量的(de)脈動幅(fú)🔆值。
　　分析(xi)幅值比(bǐ)G與脈動(dong)流頻率(lǜ)的關系(xì)可知:(1)幅(fu)值比G與(yǔ)脈動頻(pín)☁️率振幅(fu)均爲負(fù)相關;(2)相(xiang)同頻率(lü)和振幅(fu)下，方波(bō)的幅值(zhi)比更大(da)，說🙇🏻明渦(wō)輪流量(liang)計對不(bu)同波形(xing)脈動流(liú)的敏感(gan)度存在(zai)差異。
3動(dòng)态響應(ying)分析
3.1葉(ye)輪轉速(su)響應曲(qu)線分析(xī)
　　葉輪轉(zhuan)速響應(yīng)可以直(zhi)觀地反(fǎn)映出每(mei)個工況(kuang)的響應(yīng)過程，分(fen)析可知(zhi):(1)定常流(liu)作用下(xia)的葉輪(lun)響應曲(qu)線，與方(fang)波、正弦(xián)波作用(yòng)下的葉(yè)輪響應(yīng)曲線相(xiang)差較大(da)🔞;(2)相同頻(pín)率的不(bu)同波形(xíng)脈動流(liu)作用下(xià)，葉輪轉(zhuǎn)速響應(ying)與波形(xíng)⛱️、振幅均(jun)相關;(3)相(xiàng)同頻率(lǜ)和同波(bo)形的脈(mo)動流，振(zhen)幅與轉(zhuǎn)速響應(yīng)正相關(guān)。
3.2傳遞函(hán)數分析(xī)
　　通過對(duì)渦輪流(liu)量計旋(xuán)轉穩定(dìng)後的增(zēng)減流階(jie)躍響👣應(yīng)🌂進行仿(páng)真，入口(kǒu)流量點(diǎn)爲20m3/h，當葉(ye)輪轉速(su)穩定後(hòu)，分别設(shè)置增流(liu)、減流，增(zēng)流和減(jian)流調整(zhěng)量相同(tóng)，均爲原(yuan)流量的(de)35%，得出渦(wō)輪流量(liàng)計增減(jian)流的階(jiē)躍響應(ying)曲線，将(jiāng)渦輪流(liú)量計看(kan)作一個(ge)帶延時(shí)的一階(jie)系統。
　　由(you)響應曲(qu)線可以(yǐ)得出在(zài)增流減(jian)流中的(de)傳遞函(hán)數，函數(shu)繪制BODE圖(tu)，如圖2所(suo)示。
 

　　在BODE圖(tu)上可以(yi)看出，同(tóng)一台渦(wo)輪流量(liang)計，在增(zeng)流和減(jiǎn)流時的(de)特性是(shì)不一樣(yàng)的:(1)增流(liú)響應比(bi)減流響(xiǎng)應快，所(suo)以渦輪(lun)流量計(ji)在脈動(dong)🈲流作用(yòng)下出現(xian)正誤差(cha);(2)增🍉流比(bi)減流作(zuo)用強，在(zai)減流衰(shuāi)減更快(kuài);(3)在低頻(pin)率下，脈(mo)動流誤(wù)差🙇‍♀️主要(yao)與脈動(dòng)振幅相(xiang)關;在高(gao)頻率下(xia)，脈動流(liu)誤差還(hai)與相位(wèi)差有關(guān)，相位差(cha)。
4結論
　　綜(zong)上所述(shù)，對DN50氣體(ti)渦輪流(liu)量計建(jiàn)立了仿(pang)真模型(xíng)，展開CFD仿(páng)真研究(jiu)。根據仿(páng)真結果(guǒ),從穩态(tai)響應和(he)動态響(xiang)應兩方(fang)面進行(háng)💚分析，得(de)出❄️以下(xia)結論:
(1)脈(mò)動流影(ying)響下的(de)渦輪流(liú)量計測(cè)量結果(guǒ)均會産(chǎn)生🔞正誤(wù)差🚩，但是(shì)不同波(bo)形的脈(mò)動流産(chǎn)生的正(zhèng)誤差大(da)小不同(tong)，源于葉(ye)輪在增(zēng)流、減流(liu)時的特(te)性差異(yi)，增流響(xiang)應快⭐，減(jian)流響應(ying)慢。
(2)脈動(dòng)流作用(yòng)下，入口(kou)流速與(yu)葉輪轉(zhuan)速的相(xiàng)位差與(yu)脈動頻(pin)率呈正(zhèng)相關，低(di)頻脈動(dong)流作用(yòng)下應關(guān)注葉輪(lun)慣性和(he)能量損(sun)耗而産(chǎn)生測量(liàng)誤差，高(gao)頻脈動(dòng)流作用(yong)下應關(guan)注測量(liang)結果的(de)滯後而(ér)産生測(ce)量誤差(chà)。
　　綜上所(suo)述，不同(tóng)波形的(de)脈動流(liú)對渦輪(lún)流量計(jì)的特性(xìng)影響有(yǒu)相似性(xìng)，以正弦(xián)波脈動(dong)流爲基(jī)礎的渦(wo)輪流量(liàng)計脈動(dòng)流補償(cháng)研究是(shì)具有一(yī)定的普(pu)适性。但(dan)是如果(guo)要進一(yi)步提高(gao)渦輪流(liú)量計的(de)計量精(jīng)度，改善(shan)渦輪流(liu)量計的(de)脈🚩動流(liu)修正♈誤(wu)差，應該(gāi)不僅僅(jǐn)關注脈(mo)動流的(de)頻率和(hé)振幅📧。

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