摘要(yào):渦輪流量計 在油(you)氣管道運輸、貿易(yi)計量中運用相當(dang)廣泛，在很🌐多工況(kuàng)下無可避免會産(chǎn)生脈動流，對渦輪(lun)流量計的正❌常工(gōng)作造成嚴重影🌂響(xiang)。脈動流對渦輪流(liu)量計的影響情況(kuang)和尋求補償關鍵(jian)特征，以DN50渦輪流量(liang)計爲對象，通過數(shù)值模拟，兩種波形(xing)(正弦波、方波)、多個(gè)頻率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個相對振(zhèn)幅(5%、10%、25%、35%)的脈動流下渦(wō)輪流量計的動态(tài)特性。發現:在🌈頻率(lǜ)和相對振幅相同(tong)的情況下，波形對(dui)脈動流産生的正(zhèng)誤👄差大小不同。其(qi)中，方波脈🆚動流比(bǐ)正弦波對渦輪流(liu)量計的影響大。此(cǐ)外，相同頻率和振(zhen)幅下，方波脈動流(liú)比正弦波脈動流(liu)的幅值比G大，且幅(fú)值比G與脈動頻率(lü)均爲負相關。最後(hòu)利💁用傳遞函數讨(tao)論了，入口流速與(yǔ)葉輪轉速的相位(wei)🐆差與脈動頻率呈(chéng)正相關，脈動頻‼️率(lǜ)會緻使測量結果(guǒ)滞後，産生測量誤(wu)差。
0引言
　　渦輪流量(liang)計在油氣管道運(yun)輸、貿易計量中發(fā)揮着💞重🌈要⭐作用，也(ye)常被用作工作級(jí)标準表，因此對其(qí)性能和穩定性要(yào)求高，渦輪流量計(jì)需要定期在穩定(dìng)⛱️流态中修正儀表(biao)系數K以保證精度(du)。然而在天然氣❌管(guan)道運輸中，由于旋(xuan)轉式或往複式壓(ya)氣機、鼓風機、泵管(guǎn)道中流體的共振(zhèn)和流量控制設備(bèi)的周期振蕩等，均(jun1)可能導緻非穩态(tài)流産🤩生。GB/T21391-2022《用氣體渦(wo)輪流量計測量天(tian)然氣流🥵量》中明确(que)給出脈☂️動流是影(yǐng)響渦輪流量計測(ce)量準确💛度的因素(su)之一。脈🐪動流作爲(wèi)一種典型的非穩(wen)态流，一旦形成就(jiu)會在流體中傳播(bō)，會對渦輪流量計(jì)現場應🏒用産生很(hen)大的🌐測量誤差💜，從(cóng)而産生供🤟銷差叫(jiao)，不利于正确測量(liang)。
　　對渦輪流量計的(de)動态響應展開了(le)分析研究，但大多(duo)數研究是以連續(xu)條件下的正弦脈(mò)動流爲分析基礎(chu)。但是生産實際現(xiàn)場，由于管道振動(dòng)、往複泵動作、調節(jiē)閥開度變換或🔆者(zhe)人爲🈲幹預下等，産(chǎn)生的脈動流并不(bu)全是連續的正弦(xián)波脈動流。爲了進(jìn)一步⚽讨論脈動流(liu)波形對渦輪流量(liàng)計的性能影響，用(yòng)CFD仿真研究不同波(bo)形脈動流對渦輪(lún)流量計的影🌈響情(qíng)況。
1渦輪流量計數(shù)值仿真建模和模(mo)型驗證
1.1渦輪流量(liang)計仿真模型建立(li)
　　采用1.5級DN50氣體渦輪(lún)流量計爲研究對(duì)象，建立的内部結(jié)構仿真🈲模型，渦輪(lún)流量計基本參數(shù)如表1所示。在仿真(zhēn)實驗中,按照标準(zhǔn)安裝方式設置，前(qián)後直管段同軸設(she)置,前直管段長爲(wèi)10D，後直管段5D。
　　抽取管(guan)道流場，劃分網格(ge)，葉輪周圍的流場(chǎng)如圖1所示。前後直(zhí)管段的網格尺寸(cun)爲2mm,葉輪周圍的網(wǎng)格尺寸爲1mm，葉輪邊(bian)沿的網格尺寸爲(wei)0.2mm，總共487471個單元，2616035個節(jiē)點。
 
表1渦輪流量計(jì)結構參數

1.2仿真邊(bian)界條件設置
　　入口(kǒu)采用速度入口條(tiao)件(Velocity-inlet)，出口采用壓力(li)出口條件(Pressure-outlet)，湍流模(mó)型選擇Realizablek-ε模型，流體(tǐ)介質設置爲空氣(qì)，葉輪爲鋁質🙇🏻材質(zhi)，轉動慣量爲1.25X10-6kg.m',選擇(zé)渦輪流量計的分(fèn)界流量點進🧑🏽‍🤝‍🧑🏻行數(shù)值仿真。入💃🏻口速度(du)由UDF給出，出口壓力(li)爲0.5MPa,運動模型采用(yong)6DOF模型。
1.3仿真實驗設(she)置脈動流參數設(shè)置
　　設置渦輪流量(liàng)計平均入口流速(su)爲2.83m/s。不同波形的脈(mo)動流對應的入口(kǒu)速度表達式分别(bie)如下:
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式中，V1、V2一分别(bie)爲正弦波、方波的(de)速度入口的瞬時(shi)速度，m/s;[]一表❗示向下(xia)取整函數，或稱爲(wei)高斯函數;α一脈動(dong)流振幅;ƒ一脈動流(liu)頻率。
　　在脈動流影(ying)響研究的仿真實(shi)驗中，脈動流的振(zhèn)幅㊙️頻率參數如表(biao)2所示。
 
2穩态響應分(fen)析
2.1儀表系數及其(qí)誤差分析
　　導出各(gè)工況仿真葉輪穩(wen)定轉速，取轉速平(ping)均值計算儀表系(xi)🔴數K,與給定的儀表(biao)系數K0(42.9)對比，計算K值(zhi)相對誤差，結果如(rú)表3所示。儀表系數(shù)的相對誤差随頻(pin)率變化曲線如表(biǎo)3所示。
　　分析表3可知(zhi):(1)脈動流均會引起(qǐ)葉輪轉速偏高;(2)在(zai)相同振幅🤞下，方波(bō)、正弦脈動流作用(yòng)下，葉輪穩定轉速(sù)會随着頻率、振幅(fú)增加而增加;脈動(dòng)流作用下，葉輪穩(wěn)定轉速會随着頻(pín)率、振幅增加而減(jian)🏃‍♀️小;(3)對比K值相對誤(wù)差時，方波脈動流(liu)作用渦輪流量計(ji)📧産生始終是最大(da)的，誤差高達19.58%;正弦(xián)🈲脈動流作用下，誤(wu)差最高爲9.79%。脈動流(liu)作用下，最大誤差(cha)爲3.73%。
2.2幅值比G
　　爲了分(fèn)析渦輪流量計的(de)響應(轉速變化)與(yǔ)脈動流的✊幅值相(xiàng)對變化情況，引入(rù)幅值比G:
 
　　式中:wi爲轉(zhuan)速穩定後葉輪轉(zhuan)速的幅值;Aq爲入口(kǒu)流量的脈動🌏幅值(zhi)。
　　分析幅值比G與脈(mo)動流頻率的關系(xi)可知:(1)幅值比G與脈(mo)動頻率✨振⭐幅均爲(wèi)負相關;(2)相同頻率(lü)和振幅下，方波的(de)幅值🐆比更大，說💋明(míng)渦🔴輪流量計對不(bú)同波形脈⛱️動流的(de)敏感度存在差異(yì)。
3動态響應分析
3.1葉(ye)輪轉速響應曲線(xian)分析
　　葉輪轉速響(xiǎng)應可以直觀地反(fan)映出每個工況的(de)響應☎️過程，分析可(ke)知:(1)定常流作用下(xia)的葉輪響應曲線(xian)，與方♉波、正弦波作(zuo)用下的㊙️葉輪響應(ying)曲線相差較大;(2)相(xiang)同頻率的不同波(bo)形脈動流作用下(xia)，葉輪轉速響應與(yu)波形、振幅均相㊙️關(guān);(3)相同頻‼️率和同波(bo)形的脈動流，振幅(fu)與轉速響應正相(xiang)關。
3.2傳遞函數分析(xī)
　　通過對渦輪流量(liàng)計旋轉穩定後的(de)增減流階躍響應(ying)進行仿真，入口流(liú)量點爲20m3/h，當葉輪轉(zhuan)速穩定後，分别設(shè)置增流、減🧡流，增流(liú)和減流調整量相(xiang)同，均爲原流量的(de)35%，得出渦輪流量計(jì)增減流的階躍響(xiang)應曲線🍓，将渦輪流(liú)量計看作一個帶(dài)延時的一階系統(tǒng)。
　　由響應曲線可以(yǐ)得出在增流減流(liu)中的傳遞函數📐，函(hán)數🔅繪制🈲BODE圖，如圖2所(suo)示。
 

　　在BODE圖上可以看(kan)出，同一台渦輪流(liú)量計，在增流和減(jiǎn)流☂️時的特性是不(bu)一樣的:(1)增流響應(ying)比減流響應快，所(suo)以渦輪流量計在(zài)脈動流作用下出(chū)現正誤差;(2)增流比(bi)減流作用強，在減(jian)流衰減更快;(3)在👄低(di)頻率下，脈動流誤(wu)差主要與脈動振(zhèn)幅相關;在高頻率(lü)下，脈動🈲流誤差還(hai)與相位差有關，相(xiang)位差。
4結論
　　綜上所(suo)述，對DN50氣體渦輪流(liu)量計建立了仿真(zhēn)模型，展開CFD仿真研(yán)究。根據仿真結果(guo),從穩态響應和動(dong)态響應兩💋方面進(jìn)行🏒分析，得出以下(xià)結論:
(1)脈動流影響(xiang)下的渦輪流量計(jì)測量結果均會産(chan)生正誤差，但是🐇不(bu)同波形的脈動流(liú)産生的正誤差大(da)小不📱同，源于葉🚶‍♀️輪(lun)在增流、減流時的(de)特性差異，增流響(xiǎng)應快，減流響應慢(man)。
(2)脈動流作用下，入(ru)口流速與葉輪轉(zhuan)速的相位差與脈(mò)動頻率呈正相關(guan)，低頻脈動流作用(yong)下應關注葉輪慣(guan)性和能量㊙️損耗而(ér)産生測量誤差，高(gāo)頻脈動流作用下(xià)應關注測量結果(guo)的滯後而産生測(cè)量誤差。
　　綜上所述(shù)，不同波形的脈動(dòng)流對渦輪流量計(jì)的特性影響有相(xiang)🔴似性，以正弦波脈(mò)動流爲基礎的渦(wo)輪流量計脈動流(liú)補償研究是具有(yǒu)一定的普适性。但(dàn)是如果要進一🔱步(bù)提高渦輪流🏃‍♀️量計(jì)的計量精度，改善(shan)渦輪流量計的脈(mo)🈚動流修正誤差，應(ying)該不僅僅關注脈(mò)動流的頻率和振(zhèn)幅。

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