摘要:渦輪(lún)流量計 在(zài)油氣管道(dao)運輸、貿易(yi)計量中運(yun)用相當廣(guang)泛，在很多(duo)工況下無(wú)可避免會(huì)産生脈動(dòng)流，對渦輪(lun)流量計的(de)正常工作(zuo)造成嚴🈚重(zhòng)影響。脈動(dòng)流對渦輪(lun)流量計的(de)影響情況(kuang)和💃尋求補(bu)償關鍵特(te)征，以DN50渦輪(lun)流量計爲(wèi)對象，通過(guò)數值模拟(ni)，兩種波形(xing)(正弦波、方(fang)波)、多個🧑🏾‍🤝‍🧑🏼頻(pin)率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個相(xiàng)♻️對振幅(5%、10%、25%、35%)的(de)脈動流下(xia)渦輪流量(liang)計的動态(tai)特性。發現(xian):在頻率和(hé)相對振🌂幅(fú)相同的情(qing)況下，波形(xing)對脈動😄流(liu)産生的正(zhèng)誤差大小(xiao)不同。其中(zhong)，方波脈🍓動(dong)流比正弦(xian)波對渦輪(lun)流量計的(de)影響大。此(ci)外，相同頻(pin)率和振❗幅(fú)下，方波脈(mo)🔞動流比正(zhèng)弦波脈動(dong)流的幅值(zhí)比G大，且幅(fú)值比G與脈(mò)動頻率均(jun1)爲負相關(guan)。最後利🥰用(yòng)傳遞函數(shu)讨論了，入(rù)口流速與(yǔ)葉輪轉速(sù)的相位👈差(cha)與脈動頻(pin)率呈正相(xiàng)關❓，脈動💜頻(pín)率會緻使(shi)測量結㊙️果(guǒ)滞後，産生(shēng)測量誤差(cha)。
0引言
　　渦輪(lún)流量計在(zai)油氣管道(dào)運輸、貿易(yi)計量中發(fā)揮着🚩重要(yao)作用，也常(chang)被用作工(gong)作級标準(zhǔn)表，因此對(dui)其性能和(hé)穩定性要(yao)求高，渦輪(lún)流量計需(xu)要定期在(zai)穩定💛流态(tai)中修正儀(yí)表系數K以(yǐ)保證精度(du)。然而在天(tiān)然氣管道(dao)運輸中，由(you)于旋轉式(shi)或往複式(shi)壓氣機、鼓(gǔ)風機、泵管(guǎn)道中流體(ti)的共振和(he)流量控制(zhì)設備的周(zhōu)期振蕩等(děng)，均可能導(dǎo)緻非穩态(tai)流産生。GB/T21391-2022《用(yòng)氣體渦輪(lún)🚶‍♀️流量計測(ce)量天㊙️然氣(qi)流量》中明(ming)确給出脈(mò)動流是影(ying)響渦‼️輪流(liu)量計測量(liàng)準确♉度的(de)因素之一(yi)。脈動流作(zuò)爲一種典(dian)型的非穩(wen)态流，一旦(dan)形成就會(hui)在流體中(zhong)傳播🏃🏻，會對(dui)渦輪流量(liàng)計現場應(ying)用産生很(hěn)大的測量(liàng)誤差🚶‍♀️，從而(er)産生供銷(xiāo)差叫，不利(lì)于正确測(cè)量。
　　對渦輪(lun)流量計的(de)動态響應(yīng)展開了分(fèn)析研究，但(dàn)大多數研(yán)究是以連(lian)續條件下(xia)的正弦脈(mo)動流爲分(fèn)析⭕基礎。但(dan)是生産實(shí)際現場，由(yóu)于管道振(zhen)動、往複泵(beng)動🔅作、調節(jiē)閥開度🔞變(bian)換或者人(ren)爲幹預下(xia)等，産生的(de)脈動流并(bing)不全是連(lian)續的正弦(xian)波脈動流(liu)。爲了進一(yi)步讨論脈(mò)動流波形(xing)對渦輪流(liú)量計的性(xing)能影響，用(yòng)CFD仿真研究(jiu)不同波形(xing)脈動流對(duì)渦👄輪流量(liang)計的影響(xiang)情況。
1渦輪(lun)流量計數(shu)值仿真建(jian)模和模型(xing)驗證
1.1渦輪(lún)流量計仿(pang)真模型建(jian)立
　　采用1.5級(ji)DN50氣體渦輪(lún)流量計爲(wèi)研究對象(xiàng)，建立的内(nèi)部結構仿(pang)真模🌏型，渦(wō)輪流量計(jì)基本參數(shu)如表1所示(shi)。在仿真實(shi)驗中,按照(zhào)标準安裝(zhuāng)方式設置(zhì)，前後直管(guan)段同軸設(shè)置,前直管(guan)段長爲10D，後(hòu)直管段5D。
　　抽(chou)取管道流(liú)場，劃分網(wang)格，葉輪周(zhou)圍的流場(chang)如圖1所示(shi)🏃‍♀️。前㊙️後直管(guan)段的網格(gé)尺寸爲2mm,葉(ye)輪周圍的(de)網格尺‼️寸(cùn)爲1mm，葉輪邊(biān)沿的網格(gé)尺寸爲0.2mm，總(zong)共487471個單元(yuán)，2616035個節點。
 
表(biao)1渦輪流量(liàng)計結構參(can)數

1.2仿真邊(bian)界條件設(shè)置
　　入口采(cǎi)用速度入(ru)口條件(Velocity-inlet)，出(chu)口采用壓(yā)力出口條(tiao)件(Pressure-outlet)，湍流模(mó)型選擇Realizablek-ε模(mo)型，流體介(jie)質設置爲(wei)空氣，葉輪(lun)爲鋁質材(cái)質，轉動慣(guàn)量爲1.25X10-6kg.m',選擇(zé)渦輪流量(liàng)計的分界(jie)流🈲量點進(jìn)🔞行數值✂️仿(pang)真。入口速(sù)度🐪由UDF給出(chu)，出口壓力(li)爲0.5MPa,運動模(mo)型采用6DOF模(mo)型。
1.3仿真實(shí)驗設置脈(mo)動流參數(shù)設置
　　設置(zhi)渦輪流量(liang)計平均入(rù)口流速爲(wèi)2.83m/s。不同波形(xing)的脈動流(liú)對應✂️的入(rù)口速度表(biao)達式分别(bie)如下:
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式中(zhōng)，V1、V2一分别爲(wei)正弦波、方(fāng)波的速度(dù)入口的瞬(shun)時速度，m/s;[]一(yi)表示向下(xià)取整函數(shù)，或稱爲高(gāo)斯函數;α一(yī)脈動流振(zhen)🌈幅;ƒ一脈動(dòng)流頻🐆率。
　　在(zài)脈動流影(ying)響研究的(de)仿真實驗(yan)中，脈動流(liú)的振幅頻(pin)率參數如(ru)表2所示。
 
2穩(wěn)态響應分(fen)析
2.1儀表系(xi)數及其誤(wu)差分析
　　導(dǎo)出各工況(kuàng)仿真葉輪(lún)穩定轉速(su)，取轉速平(píng)均值計算(suan)😍儀表系數(shu)K,與給定的(de)儀表系數(shù)K0(42.9)對比，計算(suan)K值相對誤(wù)差，結果如(ru)表3所示。儀(yí)表系數的(de)相對誤差(cha)随頻率變(bian)化曲線如(ru)表3所示。
　　分(fen)析表3可知(zhi):(1)脈動流均(jun)會引起葉(ye)輪轉速偏(piān)高;(2)在相🏃同(tong)🧡振幅下，方(fang)波、正弦脈(mo)動流作用(yòng)下，葉輪穩(wěn)定轉速會(huì)随着頻率(lü)、振幅增加(jia)而增加;脈(mò)動流作用(yòng)下，葉輪穩(wen)定轉速會(hui)随着頻率(lǜ)、振幅增🌈加(jiā)而減小;(3)對(duì)比K值相對(duì)誤差時，方(fāng)波脈動流(liu)作用渦輪(lun)流量計🔴産(chǎn)生始終是(shi)最大的，誤(wù)差高達19.58%;正(zhèng)弦✔️脈動流(liú)作用下，誤(wù)差最高爲(wei)9.79%。脈動流作(zuò)用下，最大(da)誤差爲3.73%。
2.2幅(fú)值比G
　　爲了(le)分析渦輪(lún)流量計的(de)響應(轉速(su)變化)與脈(mò)動流🔞的幅(fú)值☎️相對變(bian)化情況，引(yǐn)入幅值比(bi)G:
 
　　式中:wi爲轉(zhuan)速穩定後(hou)葉輪轉速(sù)的幅值;Aq爲(wèi)入口流量(liang)的脈動幅(fú)☎️值。
　　分析幅(fu)值比G與脈(mò)動流頻率(lü)的關系可(ke)知:(1)幅值比(bi)G與脈動頻(pín)率振幅均(jun1)爲負相關(guān);(2)相同頻率(lü)和振幅下(xia)，方波的🌐幅(fu)值‼️比更大(da)，說明渦輪(lun)流量計對(duì)不同波形(xing)脈動流的(de)🌂敏感度存(cún)在差異。
3動(dong)态響應分(fèn)析
3.1葉輪轉(zhuǎn)速響應曲(qu)線分析
　　葉(yè)輪轉速響(xiang)應可以直(zhí)觀地反映(yìng)出每個工(gong)況的響應(ying)過程，分析(xī)🥰可知:(1)定常(chang)流作用下(xià)的葉輪響(xiǎng)應曲線，與(yǔ)方👣波、正弦(xian)波作用下(xia)的葉輪響(xiǎng)應曲線相(xiàng)差較大;(2)相(xiang)同頻率的(de)不同波形(xíng)脈動流作(zuo)用下，葉輪(lun)轉速響應(yīng)與波形、振(zhèn)幅均相關(guan);(3)相同頻率(lǜ)和同波形(xíng)的脈動🙇‍♀️流(liú)，振幅與轉(zhuan)速響應正(zhèng)相👅關。
3.2傳遞(dì)函數分析(xi)
　　通過對渦(wō)輪流量計(jì)旋轉穩定(ding)後的增減(jiǎn)流階躍響(xiǎng)應進🚶行仿(páng)真，入口流(liú)量點爲20m3/h，當(dāng)葉輪轉速(su)穩定後，分(fèn)别設置增(zēng)🍓流、減🌍流，增(zēng)💛流和減流(liu)調整量相(xiàng)同，均爲原(yuán)流量的35%，得(dé)出渦輪流(liu)量🌈計增減(jian)流的階☂️躍(yue)響應曲線(xiàn)，将渦輪流(liú)量計看作(zuo)一個帶延(yán)時的一階(jie)系統。
　　由響(xiǎng)應曲線可(ke)以得出在(zài)增流減流(liú)中的傳遞(di)函數，函數(shu)繪制BODE圖，如(ru)圖2所示。
 

　　在(zài)BODE圖上可以(yi)看出，同一(yi)台渦輪流(liu)量計，在增(zēng)流和減流(liu)時的特☂️性(xing)是不一樣(yang)的:(1)增流響(xiang)應比減流(liu)響應快，所(suo)以渦輪流(liu)量計在脈(mo)動📞流作用(yong)下出現正(zheng)誤差;(2)增👄流(liú)比減流作(zuò)用強，在減(jian)🌈流衰減更(geng)快;(3)在低頻(pín)率下，脈動(dòng)流誤差🏃‍♂️主(zhu)要與脈🐅動(dong)振幅相關(guān);在高頻率(lǜ)下，脈動🥵流(liú)誤差還與(yǔ)相位差有(yǒu)關，相位差(chà)。
4結論
　　綜上(shàng)所述，對DN50氣(qi)體渦輪流(liú)量計建立(lì)了仿真模(mó)型，展開CFD仿(páng)真研究。根(gēn)據仿真結(jié)果,從穩态(tài)響應和動(dòng)态響應兩(liǎng)🧡方面進行(háng)分析，得出(chu)🤟以下結論(lùn):
(1)脈動流影(ying)響下的渦(wo)輪流量計(ji)測量結果(guǒ)均會産生(sheng)正誤差，但(dan)是不同波(bo)形的脈動(dong)流産生的(de)正誤差大(dà)小不同，源(yuan)于葉🥵輪在(zai)增流🔞、減流(liú)時的特性(xing)差異，增流(liú)響應快🥰，減(jiǎn)流響應慢(man)。
(2)脈動流作(zuò)用下，入口(kou)流速與葉(yè)輪轉速的(de)相位差與(yǔ)♊脈動頻率(lü)呈正相關(guan)，低頻脈動(dong)流作用下(xia)應關注葉(ye)輪慣性和(he)能量損耗(hao)而産生測(ce)量誤差，高(gao)頻脈動流(liú)作用下應(yīng)關注測量(liàng)結🏃‍♀️果的滯(zhi)後而産生(shēng)測量誤差(cha)📞。
　　綜上所述(shu)，不同波形(xing)的脈動流(liu)對渦輪流(liú)量計的特(te)性影響有(yǒu)相❤️似性，以(yǐ)正弦波脈(mò)動流爲基(jī)礎的渦輪(lún)🌈流量計脈(mò)動流補償(chang)研究㊙️是具(jù)有一定的(de)普适性。但(dan)是如果要(yào)進一步提(ti)高渦輪流(liú)量計的💛計(jì)量精度，改(gai)善渦輪流(liú)量計的脈(mò)🔴動流修正(zheng)誤差，應該(gai)不僅僅關(guān)🐪注脈動流(liu)的頻率和(he)振幅。

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