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(mo)動流場進行仿真(zhēn)計算。研究中獲得(de)了流量計在不同(tóng)脈動幅值和🏃頻率(lǜ)下的瞬時輸出流(liu)量，通過正弦函♊數(shù)拟合獲得各工況(kuàng)輸出流量🔱的平均(jun1)值、脈動幅值和初(chū)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(cheng)線性降低的趨勢(shi)，而相頻特性随頻(pin)率增加而🌂增大而(er)後趨于✉️穩定。
0引言(yán)
　　渦輪流量計是典(dian)型的速度式流量(liang)計「1-2)，通過測量葉輪(lún)的🏒轉速來計算管(guǎn)道中流體體積流(liú)量。穩定流動下渦(wo)輪流量計具有重(zhong)複性好、量程範圍(wei)寬、适應性強、精度(du)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(shè)備🔴而産生，脈動流(liu)♻️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(jun)🌐會對渦輪流量計(jì)動态特性産生一(yī)定的影響。頻率低(di)、幅度小的脈動流(liú)，一般情況下對流(liú)量測量影響不大(da)，但若脈動頻率較(jiao)高或幅度較大時(shi)則将對流量計的(de)幅頻特性和相頻(pín)特性産生很大影(ying)響。
　　利用CFD軟件對渦(wō)輪流量計在正弦(xián)脈動流動下的流(liu)場進♉行仿真計算(suan)，獲得不同脈動頻(pín)率和幅度下渦輪(lun)流量計角速🙇‍♀️度曲(qu)線，進而計算瞬時(shí)流量，對渦輪流量(liàng)計🔞動态特性進行(háng)分析研究。
1渦輪流(liu)量計建模
1.1幾何模(mó)型
　　研究中針對DN32口(kǒu)徑的液體渦輪流(liú)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(liàng)👣計實物的外形尺(chǐ)寸和位置關系等(deng)關鍵尺寸進行測(ce)繪(表1爲渦輪流量(liàng)計主要尺寸參數(shu))，忽🐉略流量計進出(chū)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(liú)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(ji)入口處達到充分(fèn)發展的流動狀态(tài)，分别在流量計的(de)🔅.上遊設置10倍長🔆直(zhí)管段，下遊設置5倍(bèi)直管段。将葉輪所(suo)在區域定義爲旋(xuan)轉區域，其餘部分(fèn)定.義爲靜止區域(yù)，通過interface面将動靜區(qu)域進行連接。旋轉(zhuǎn)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(mo)型是最符合物理(li)現象的模型🏃🏻，各向(xiang)異性，輸運中的雷(lei)諾應力可直接計(ji)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(zuo)爲流體介質，以實(shi)測介質密度和粘(zhān)度并設置仿真流(liú)體參數。設置下遊(you)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(tǐ)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(lún)受到流體沖擊時(shí)，對葉輪産生驅動(dòng)🥰力矩，同時受到各(gè)種阻力矩的影響(xiǎng)圖3是葉輪所受力(li)矩示意圖。葉輪🌂轉(zhuan)動過程中受到流(liú)體對葉片的驅動(dòng)力矩Td，輪毂側面受(shou)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(xiè)阻力矩Tb，磁電信号(hao)檢出器産生磁🌈電(diàn)阻力矩Tm。
 
　　式中:J爲葉(ye)輪轉動慣量;ɷ爲葉(ye)輪轉動角速度;t爲(wèi)運行時間，Trf爲流體(ti)🔞阻力矩，Trf=Th+Tw+Tt。
　　采用6DOF模型(xíng)實現對葉輪6個自(zi)由度的控制，包括(kuo)X，Y，Z方向的移🐇動自♈由(yóu)✉️度和圍繞X，Y，Z軸的旋(xuán)轉自由度。通過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏(hong)文件約束葉輪在(zài)💯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(dong)方向)進行轉☔動。葉(ye)輪三維建模中選(xuǎn)用的材質與實際(ji)材質相同🔞，即可獲(huo)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(jìn)行設置🏃，流速通過(guò)式(2)和式(3)計算。
 
　　式中(zhōng):qt爲入口瞬時體積(jī)流量;q0爲體積流量(liang)平均值，Q0=16m3/h;A爲脈動🚶幅(fú)度😘;ƒ爲脈動頻率;t0爲(wèi)脈動流量起始時(shi)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(mian)積。
　　仿真初始葉輪(lún)轉速爲零，根據葉(yè)輪運動方程自動(dong)計🌐算和🈚調整旋轉(zhuan)角速度，直到葉輪(lun)趨于穩定狀态✍️，仿(páng)真中各🥵工況在t,前(qián)葉輪轉速已經達(dá)到穩定狀态。
2仿真(zhen)結果與試驗驗證(zhèng)
　　仿真計算中調整(zheng)脈動幅度(A=5，10，15,20L/min)和脈動(dòng)頻率(ƒ=5，10，15，20，30，40，50Hz)兩參數設置(zhi)，計算28個不同工況(kuang)下流場，獲得葉輪(lún)轉速随時間🔞變化(huà)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(liang)計葉輪旋轉平穩(wen)後，取to時刻前的葉(yè)輪轉速通過❌式(4)計(ji)算儀表系數。
 
　　式中(zhōng):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(jì)算DN32渦輪流量計在(zài)16m3/h流量下，儀表系數(shù)K=160.6L-1。依據JJG1037-2008《渦輪流量計(jì)檢定規程》，利用流(liú)量标準裝置對渦(wo)輪流量🈲計進行校(xiào)準試🍓驗，獲🐉得16m3/h流量(liàng)下儀表系數K=161.7L-1，與仿(páng)真結果的儀表系(xì)數相差僅0.7%，仿真與(yu)校準試🚶‍♀️驗一緻性(xing)非常好。
 
3動态特性(xìng)分析
　　渦輪流量計(jì)瞬時輸出流量可(ke)由式(5)計算。
 
　　式中:qm爲(wei)渦輪流量計瞬時(shi)流量，m3/h;ɷ爲葉輪瞬時(shí)轉速，rad/s.
　　由于流量計(jì)前後導流件的作(zuo)用，導緻葉輪轉速(sù)和流量計瞬🌈時流(liú)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(tōng)過正弦函數對流(liú)量計瞬時流量進(jìn)行拟合，拟合函數(shù)爲
 
　　式中:qm0爲流量計(jì)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(liú)量計輸出脈動幅(fu)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(kuàng)拟合結果決定系(xì)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(liang)的🏃🏻‍♂️平均值qm0、脈動頻(pin)率ƒm、脈動幅度Am和脈(mo)動起始時刻tm0四個(ge)參⛷️數。流量計輸出(chū)幅頻特性和相頻(pin)特性分别通過式(shi)(7)和式(8)計算。
 
 
　　将各工(gōng)況正弦拟合曲線(xian)作爲動态輸出，與(yu)入口瞬⛱️時流量進(jìn)行比較，圖6是脈動(dong)頻率分别爲5，50Hz時渦(wō)輪流量計動态信(xin)号曲線🔞圖，可見脈(mò)動幅值對相位差(chà)基本無影💜響。各工(gong)況流量📞計輸出🔞流(liu)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(jun1)值偏大不足0.6%。圖🤞7是(shi)渦輪流量計幅頻(pin)特性㊙️與相頻特性(xing)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(qing)況下🐪A*≈1，且略大于1;随(sui)脈動頻率增加，A*逐(zhu)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(wèi)❄️差趨于平穩。葉輪(lun)是渦輪流量計内(nèi)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(dong)慣🐉量的影響，導緻(zhi)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(xiàn)性系統[1o]，其時間常(chang)數是随流量輸入(ru)而改變的。
 
 
4結論
　　研(yan)究中利用FLUENT軟件中(zhong)的6DOF模型對DN32口徑渦(wo)輪流量計進行流(liu)體仿真，仿真過程(chéng)中改變入口流量(liàng)脈動幅值和脈🌈動(dòng)頻率，共獲得28組工(gong)況脈動流動下的(de)流場。分析獲得葉(yè)輪轉🧡速随時間變(bian)化☂️曲線，并利用正(zhèng)弦函數對流量計(ji)輸出進行拟合，獲(huò)得流量計瞬時流(liu)量的平均值、脈☎️動(dong)幅值和初始相位(wèi)等參👅數，進一步獲(huo)得了流量計幅頻(pín)特性和相頻特性(xing)。各工況流量計👅輸(shu)出流量平均值可(ke)認爲是定值，幅頻(pín)特性随脈動頻率(lǜ)成線性降低的趨(qu)勢，而相頻特性受(shou)到渦輪流☁️量計時(shí)間常數和脈動輸(shu)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(hou)，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(he)理論分析、實流試(shi)驗、流體仿真等多(duō)種手段對渦輪流(liú)💁量計在脈動流動(dòng)下動态特性開展(zhan)研究，進一步探究(jiū)渦輪流量計動态(tài)響應機理🧑🏾‍🤝‍🧑🏼和修正(zheng)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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