摘(zhai)要:渦輪流量計 在(zài)脈動流量下動态(tai)特性，利用FLUENT軟件對(duì)渦輪流量計内脈(mò)動流場🎯進行仿真(zhēn)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(kuàng)輸出流量的平均(jun)值、脈動幅值和💃🏻初(chu)始相位，進而對渦(wo)輪流量計幅頻特(tè)性🈲和相頻特性⛱️進(jìn)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(ér)後趨于穩定。
0引言(yán)
　　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(lun)的轉速🈚來計算管(guan)道中流體體積流(liu)量。穩定流動下渦(wo)輪流量計具有重(zhong)複性好、量程範圍(wéi)寬、适應性強、精度(dù)高、體積小等特🏃‍♂️點(diǎn)。但在⭐工業領域的(de)流量測量中，非穩(wen)态流動工況廣泛(fàn)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(she)備而産生，脈動💋流(liú)動--旦形成就會在(zài)流體中傳播，将會(hui)對渦輪流量計産(chan)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(liu)，一般🔴情況✉️下對流(liu)量測量影響不大(da)，但若脈動頻率較(jiào)高或幅🐉度較大時(shí)則将對流量計的(de)幅頻特性和相頻(pín)特性♍産生很大影(yǐng)響。
　　利用CFD軟件對渦(wō)輪流量計在正弦(xian)脈動流動下的流(liú)場進行仿真計算(suan)，獲得不同脈動頻(pín)率和幅度下渦輪(lún)流量計👨‍❤️‍👨角速度曲(qu)線，進而計算瞬時(shí)流量，對渦輪流量(liang)計動态特性進行(háng)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(xin)🛀内部結構💋如圖1所(suo)示，主要包括前後(hou)導向件和葉輪三(sān)部分。對✌️渦輪流量(liang)計實物的外形尺(chi)寸和位置關系等(děng)關鍵尺寸進行測(cè)繪(表1爲渦輪流☔量(liang)計主要尺寸參數(shu))，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(liu)體仿真模型
　　利用(yòng)Gambit軟件進行幾何建(jian)模和網格劃分，爲(wei)使流動在流量計(jì)入口😄處達到充分(fen)發展的流動狀态(tài)，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(fen)定🙇‍♀️.義爲靜止區域(yù)，通過interface面将動靜區(qu)域進行連接。旋轉(zhuan)區域及結構較複(fú)雜的區域采用非(fēi)結構化網格;直💞管(guǎn)段等結構較簡單(dan)的區域采用結構(gou)化網格💯。
仿真中選(xuan)用ReynoldsStress(S-BLS)湍流模型，該模(mó)型是最符合物理(lǐ)現象的模♌型，各向(xiang)🚶異性，輸運中的雷(lei)諾應力可直接計(jì)算出來。模型計算(suàn)時間較長，适合大(da)彎曲流線、漩渦以(yi)及三維轉動流動(dòng)。選用RP-3航空煤📐油作(zuò)爲流體介質，以實(shí)測介質密度和粘(zhan)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(su)度入口(velocity-inlet)。
1.3仿真方法(fǎ)
　　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(gè)種阻力矩的影響(xiang)圖3是葉輪所🔱受力(lì)矩示意圖。葉輪轉(zhuan)動過程中受到流(liu)體對葉片的驅動(dòng)力矩Td，輪🙇🏻毂側面受(shòu)到流體粘性阻力(lì)矩Th，輪毂端面受到(dao)流體粘性❓阻力矩(jǔ)Tw，葉片頂端受到流(liú)體粘性阻力矩Tt，同(tóng)時葉片輪軸與軸(zhou)承之間存在機械(xie)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(yè)輪轉動慣量;ɷ爲葉(yè)輪轉動角速度;t爲(wei)運行時間，Trf爲流🥵體(ti)阻力矩，Trf=Th+Tw+Tt。
　　采用6DOF模型(xing)實現對葉輪6個自(zì)由度的控制，包括(kuò)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(hong)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(zhuǎn)🐪，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(jì)材質相同，即可獲(huò)得葉輪的轉🔴動慣(guàn)量。流體仿真中系(xi)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(jin)行設置，流速🔅通過(guo)式(2)和式(3)計算。
 
　　式中(zhong):qt爲入口瞬時體積(jī)流量;q0爲體積流量(liàng)平均值，Q0=16m3/h;A爲脈💔動幅(fu)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(miàn)積。
　　仿真初始葉輪(lún)轉速爲零，根據葉(ye)輪運動方程自動(dòng)計算和🐆調整旋轉(zhuǎn)角速度，直到葉輪(lún)趨于穩定狀态，仿(páng)真中各工況在t,前(qian)葉輪🈚轉速已經達(dá)到穩定狀态。
2仿真(zhen)結果與試驗驗證(zheng)
　　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(zhì)，計🔆算28個不同工況(kuang)下流場，獲得葉輪(lun)轉速随時間變化(hua)曲線，圖4時🛀🏻脈動😄頻(pín)率爲20Hz和50Hz時的葉輪(lun)轉速曲線。
　　待流量(liàng)計葉輪旋轉平穩(wen)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(zhong):K爲儀表系數，L-1;ɷ∞爲穩(wen)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(ji)算DN32渦輪流量計在(zai)16m3/h流量下，儀表系數(shu)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(xi)數相差僅🔴0.7%，仿真與(yu)校準試驗一緻性(xìng)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(shí)流量，m3/h;ɷ爲葉輪瞬時(shí)轉速，rad/s.
　　由于流量計(ji)前後導流件的作(zuo)用，導緻葉輪轉速(sù)和流量計瞬時流(liu)量存在小幅波動(dòng)，圖5是ƒ=40Hz渦輪流量計(ji)瞬時流量曲線，通(tong)過正弦函數對流(liu)量計瞬時流量進(jin)行拟合，拟合函數(shu)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(shu)出脈動🚶頻率，Hz;Am爲流(liu)量計輸出脈動幅(fú)度;tm0爲流量計輸出(chu)脈動流量起始時(shí)刻，:S。
　　仿真中28組工況(kuang)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(huo)得了各工況渦輪(lun)流量計輸出流量(liàng)的平均值qm0、脈📧動頻(pín)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(chū)幅頻特🏃🏻性和相頻(pin)特性分别通過式(shì)(7)和式(8)計算。
 
 
　　将各工(gong)況正弦拟合曲線(xiàn)作爲動态輸出，與(yu)入口瞬時流量進(jìn)行比較，圖6是脈動(dòng)頻率分别爲5，50Hz時渦(wo)輪流量計動态信(xin)号曲線圖，可見脈(mo)動幅值對相位差(cha)基本無影響。各工(gong)況流量計輸出流(liú)量的平均值比較(jiao)恒定，變化範圍是(shi)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(pín)特性與相頻特性(xìng)曲線圖。A*随脈💋動頻(pín)率ƒ基本成線性降(jiàng)低的趨勢，低頻情(qíng)況下A*≈1，且略大于1;随(sui)脈👄動頻率🔴增加，A*逐(zhú)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(suí)脈動頻率增加而(ér)增大，相位差由3.7°~4.8°增(zeng)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(ye)輪在流體驅動力(li)❗矩和阻力矩作用(yòng)下産生加速度，由(yóu)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(dòng)流動變化，産生流(liu)量示值與真實之(zhi)間的相位差，而相(xiàng)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(xiǎng)，渦輪流量計一般(ban)認爲是一階非線(xian)㊙️性系統[1o]，其時📧間常(cháng)數是随流量輸入(rù)而改變的。
 
 
4結論
　　研(yan)究中利用FLUENT軟件中(zhōng)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(chéng)中改變入口流量(liang)脈動幅值和脈動(dòng)頻👌率，共🏃🏻獲得28組工(gōng)況脈動流動下的(de)流場。分析獲得葉(ye)輪轉速随時間變(biàn)化曲線，并利用正(zheng)弦函數對流量計(ji)輸出進行拟合，獲(huo)🏃‍♂️得流量計瞬時流(liú)量🧡的平均值、脈👅動(dòng)幅值和初☁️始相位(wèi)等參👣數，進一步獲(huo)得了流量計幅頻(pin)特性和相頻特性(xing)。各工況流量計輸(shu)出流量平均值可(kě)認爲是定值，幅頻(pin)特性随脈動頻率(lü)成線性降低的趨(qu)勢，而相頻特性受(shou)到渦輪流量計時(shi)間常數和脈動輸(shū)入綜合影響，在ƒ<40Hz的(de)範圍内随頻率增(zeng)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(zhōng)，渦輪流量計規格(gé)單一且工況較少(shǎo)，未來還需♋要結合(hé)理論分析、實流試(shi)驗、流體仿真等多(duo)種手段對渦輪流(liu)量計在脈動流動(dòng)下動态特性開展(zhǎn)研究，進一步探究(jiu)💘渦輪流📐量計動态(tai)響應機理和修正(zhèng)方法，提高渦輪流(liú)量計在脈動流量(liang)測量中💞的精度。

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