摘(zhāi)要:渦輪(lún)流量計(jì) 在油(yóu)氣管道運(yùn)輸、貿易計量中運用相當(dāng)廣泛(fàn)，在很多(duō)工況下(xià)無可避(bì)免(miǎn)會産(chǎn)生脈(mò)動流(liú)，對渦(wō)輪流量(liàng)計的正(zhèng)常工作造成嚴重影(yǐng)響(xiǎng)。脈(mò)動流(liú)對渦(wō)輪(lún)流(liú)量計的影(yǐng)響情況和(hé)尋(xún)求(qiú)補償關鍵特征(zhēng)，以dn50渦輪流(liú)量計爲對象，通過數(shù)值模拟，兩(liǎng)種波形(正(zhèng)弦波(bō)、方波)、多個(gè)頻率(lǜ)(5hz、10hz、20hz、30hz)、多個相對(duì)振幅(fú)(5%、10%、25%、35%)的脈(mò)動流下渦(wō)輪流量計(jì)的動态特(tè)性。發現:在(zài)頻(pín)率和相對振(zhèn)幅相(xiàng)同的情(qíng)況(kuàng)下，波形對(duì)脈動(dòng)流産(chǎn)生的正誤(wù)差大小不同。其中(zhōng)，方波脈動流(liú)比正弦波(bō)對渦輪流(liú)量(liàng)計的影(yǐng)響大。此外，相同(tóng)頻率和振(zhèn)幅下，方(fāng)波脈(mò)動流比(bǐ)正弦(xián)波脈動流(liú)的幅值比g大，且幅值比g與脈動頻率(lǜ)均爲(wèi)負相關。最後利用傳(chuán)遞函數讨論(lùn)了(le)，入口流速(sù)與葉輪轉速(sù)的相位(wèi)差與脈(mò)動(dòng)頻率(lǜ)呈正(zhèng)相(xiàng)關(guān)，脈動(dòng)頻率會緻使測(cè)量結果滞後，産(chǎn)生測(cè)量誤差。
0引(yǐn)言
　　渦輪流(liú)量計在油(yóu)氣管道運(yùn)輸、貿易計量中發揮(huī)着重要作(zuò)用，也常被(bèi)用作工作(zuò)級标準表(biǎo)，因此對其(qí)性能(néng)和穩(wěn)定性要求(qiú)高，渦(wō)輪流量計(jì)需要定(dìng)期在穩(wěn)定流态中修正(zhèng)儀表系(xì)數k以保(bǎo)證精度(dù)。然而在天然氣管道運(yùn)輸中，由于(yú)旋轉式或往(wǎng)複式壓(yā)氣機、鼓風機、泵(bèng)管道中(zhōng)流體(tǐ)的(de)共振和流(liú)量控(kòng)制設備的周期(qī)振蕩(dàng)等(děng)，均(jun1)可能導緻非(fēi)穩态流(liú)産生(shēng)。gb/t21391-2022《用氣體渦(wō)輪流(liú)量(liàng)計(jì)測量(liàng)天然氣流量》中(zhōng)明确(què)給(gěi)出脈動(dòng)流是影響渦輪(lún)流量計測量準(zhǔn)确度的(de)因素之一。脈動(dòng)流(liú)作爲一種典(diǎn)型的非穩(wěn)态流，一旦形(xíng)成就會在(zài)流體(tǐ)中傳(chuán)播，會對渦(wō)輪流量(liàng)計(jì)現場(chǎng)應用(yòng)産(chǎn)生很大(dà)的測量誤(wù)差，從(cóng)而産生(shēng)供(gòng)銷差(chà)叫，不利于正确(què)測量(liàng)。
　　對渦輪流量計的動(dòng)态響應展(zhǎn)開了分析(xī)研究，但大多數(shù)研究是以(yǐ)連續(xù)條件下的(de)正弦脈動流爲(wèi)分析(xī)基(jī)礎(chǔ)。但是(shì)生産(chǎn)實際(jì)現場(chǎng)，由于(yú)管道(dào)振動(dòng)、往複(fú)泵動作(zuò)、調節閥(fá)開度變換或者人(rén)爲幹預(yù)下等(děng)，産生的(de)脈(mò)動流(liú)并不全(quán)是連續(xù)的正弦波脈動流。爲了進一步(bù)讨論脈動流波(bō)形對渦輪流量(liàng)計的(de)性能(néng)影響，用cfd仿(páng)真(zhēn)研究不(bú)同波(bō)形脈(mò)動流(liú)對渦(wō)輪流量計(jì)的影響情(qíng)況。
1渦(wō)輪流(liú)量計數值(zhí)仿真建模和模(mó)型驗證
1.1渦(wō)輪流(liú)量計仿(páng)真模型(xíng)建立
　　采(cǎi)用1.5級dn50氣(qì)體渦輪流(liú)量計(jì)爲研究對象，建(jiàn)立的(de)内部結構仿真模型，渦輪(lún)流量計基本(běn)參(cān)數如表1所(suǒ)示。在(zài)仿真實(shí)驗(yàn)中,按(àn)照标準安裝方(fāng)式設置，前後直(zhí)管段同(tóng)軸設置(zhì),前直管段長爲(wèi)10d，後直(zhí)管(guǎn)段5d。
　　抽取(qǔ)管道(dào)流場(chǎng)，劃分(fèn)網格，葉輪周圍(wéi)的流場如圖1所示。前後直(zhí)管段(duàn)的網格(gé)尺寸爲2mm,葉輪周(zhōu)圍(wéi)的網(wǎng)格尺(chǐ)寸(cùn)爲(wèi)1mm，葉輪邊沿的(de)網格(gé)尺(chǐ)寸爲0.2mm，總共(gòng)487471個單(dān)元，2616035個(gè)節點(diǎn)。
 
表1渦(wō)輪流(liú)量(liàng)計(jì)結構(gòu)參數

1.2仿真邊界條件(jiàn)設置
　　入口采用(yòng)速度入(rù)口(kǒu)條件(jiàn)(velocity-inlet)，出口采用壓力(lì)出口條件(jiàn)(pressure-outlet)，湍流模(mó)型(xíng)選擇realizablek-ε模型(xíng)，流體介(jiè)質(zhì)設置爲空(kōng)氣，葉輪爲鋁質材(cái)質，轉動(dòng)慣量爲1.25x10-6kg.m',選(xuǎn)擇渦(wō)輪(lún)流(liú)量計的分(fèn)界流量點進行(háng)數值(zhí)仿(páng)真(zhēn)。入口速度(dù)由udf給出，出(chū)口壓力爲(wèi)0.5mpa,運動(dòng)模型采用6dof模型(xíng)。
1.3仿真實(shí)驗設置(zhì)脈動(dòng)流(liú)參(cān)數設置
　　設(shè)置(zhì)渦輪流(liú)量計(jì)平均入口(kǒu)流速爲2.83m/s。不(bú)同波(bō)形的脈(mò)動(dòng)流對(duì)應的入口(kǒu)速度(dù)表達式分别如(rú)下:
v1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
v2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
　　式(shì)中，v1、v2一分别(bié)爲正弦(xián)波、方波(bō)的速度入(rù)口(kǒu)的(de)瞬時(shí)速度，m/s;[]一表示向下取整函數，或(huò)稱爲高斯(sī)函(hán)數;α一脈(mò)動流(liú)振幅(fú);ƒ一(yī)脈動流(liú)頻率。
　　在脈動流影響研究的仿(páng)真實(shí)驗(yàn)中(zhōng)，脈動(dòng)流(liú)的(de)振幅頻率(lǜ)參數(shù)如(rú)表(biǎo)2所(suǒ)示(shì)。
 
2穩态(tài)響應分析(xī)
2.1儀表系(xì)數及其(qí)誤差分(fèn)析
　　導出(chū)各(gè)工況仿真葉(yè)輪穩定(dìng)轉速，取(qǔ)轉速平均(jun1)值計(jì)算儀表(biǎo)系數k,與(yǔ)給定(dìng)的儀(yí)表系數k0(42.9)對比，計算k值(zhí)相對(duì)誤差(chà)，結果(guǒ)如表(biǎo)3所示(shì)。儀表(biǎo)系數的(de)相對誤差随(suí)頻率(lǜ)變化(huà)曲(qǔ)線如表3所示(shì)。
　　分析表3可知:(1)脈動流均會(huì)引起(qǐ)葉輪轉(zhuǎn)速偏高(gāo);(2)在相同振幅下(xià)，方波、正弦脈動(dòng)流作用(yòng)下，葉輪穩定轉速(sù)會随(suí)着頻(pín)率、振幅增加而增(zēng)加;脈動(dòng)流作用(yòng)下，葉輪穩定(dìng)轉速(sù)會随(suí)着頻率、振(zhèn)幅增加而減(jiǎn)小(xiǎo);(3)對比(bǐ)k值相(xiàng)對(duì)誤(wù)差時，方波(bō)脈動流作(zuò)用渦輪流(liú)量計(jì)産生始終(zhōng)是最(zuì)大的，誤差高達(dá)19.58%;正弦(xián)脈動流作用下，誤(wù)差最高(gāo)爲9.79%。脈(mò)動流作用下，最大誤(wù)差爲(wèi)3.73%。
2.2幅值比g
　　爲了分(fèn)析渦輪流量計(jì)的響(xiǎng)應(轉速變(biàn)化)與脈(mò)動(dòng)流的幅值(zhí)相對變化情況，引入幅值比g:
 
　　式中:wi爲轉速(sù)穩定後葉輪轉速的幅(fú)值;aq爲入(rù)口流量的脈動幅值。
　　分(fèn)析幅值(zhí)比g與(yǔ)脈(mò)動(dòng)流頻(pín)率(lǜ)的(de)關系可知(zhī):(1)幅值(zhí)比(bǐ)g與脈(mò)動頻率振幅均爲負相關;(2)相同頻(pín)率和(hé)振幅下，方波(bō)的幅值(zhí)比更(gèng)大，說明渦輪流(liú)量計對(duì)不(bú)同波(bō)形脈動流的敏(mǐn)感度存在差異。
3動态(tài)響應分析(xī)
3.1葉輪轉速響應曲線分析(xī)
　　葉輪(lún)轉速響(xiǎng)應(yīng)可以(yǐ)直觀(guān)地反映出(chū)每個(gè)工況(kuàng)的響(xiǎng)應過(guò)程，分析可知:(1)定常流(liú)作用下的(de)葉(yè)輪(lún)響應(yīng)曲線(xiàn)，與方波、正弦(xián)波作用(yòng)下的(de)葉輪響應曲線(xiàn)相差較(jiào)大;(2)相同(tóng)頻率的不(bú)同波(bō)形脈(mò)動流作用(yòng)下，葉輪(lún)轉(zhuǎn)速響(xiǎng)應與(yǔ)波(bō)形(xíng)、振幅(fú)均相關(guān);(3)相(xiàng)同頻(pín)率和同(tóng)波形的(de)脈動流，振(zhèn)幅與(yǔ)轉速響應正相(xiàng)關。
3.2傳遞(dì)函數(shù)分(fèn)析
　　通過對渦輪(lún)流量計旋(xuán)轉穩定後的(de)增減流階躍響應進行(háng)仿真，入(rù)口流量(liàng)點爲20m3/h，當葉(yè)輪轉(zhuǎn)速穩定後，分别設置增流(liú)、減流，增流和減流調(diào)整量相(xiàng)同(tóng)，均爲(wèi)原流量的(de)35%，得出(chū)渦輪流(liú)量(liàng)計增(zēng)減流(liú)的階躍響應曲線，将(jiāng)渦輪(lún)流量計(jì)看作一(yī)個帶延時的一(yī)階系(xì)統。
　　由響應曲線(xiàn)可(kě)以(yǐ)得出(chū)在增(zēng)流減流中(zhōng)的傳(chuán)遞(dì)函數，函數繪(huì)制bode圖，如圖(tú)2所示。
 

　　在bode圖上可以看出(chū)，同一台(tái)渦輪流(liú)量計，在增流(liú)和減流時(shí)的特性是不一樣的:(1)增(zēng)流響應(yīng)比減(jiǎn)流響(xiǎng)應快(kuài)，所以(yǐ)渦輪流量(liàng)計在(zài)脈動流作用下出(chū)現(xiàn)正誤(wù)差;(2)增流比減流(liú)作用(yòng)強，在減流(liú)衰減(jiǎn)更快;(3)在低(dī)頻率下，脈動流(liú)誤差(chà)主要(yào)與脈(mò)動振幅相關;在(zài)高頻率下(xià)，脈動(dòng)流誤差(chà)還與相(xiàng)位差有關，相(xiàng)位差。
4結(jié)論
　　綜上所(suǒ)述，對(duì)dn50氣體渦輪(lún)流量(liàng)計(jì)建立了(le)仿(páng)真模型(xíng)，展開(kāi)cfd仿真研(yán)究。根據(jù)仿真結果(guǒ),從穩(wěn)态響(xiǎng)應和動态響應兩方(fāng)面進(jìn)行分析(xī)，得出以(yǐ)下結(jié)論:
(1)脈動流(liú)影響下的渦輪流量計(jì)測量結果均(jun1)會産生正(zhèng)誤差，但是不同(tóng)波形的脈動(dòng)流産生的正(zhèng)誤差大小不同(tóng)，源于葉輪(lún)在(zài)增流、減(jiǎn)流(liú)時的特性差(chà)異，增流(liú)響應(yīng)快(kuài)，減流(liú)響應(yīng)慢。
(2)脈動流(liú)作用(yòng)下，入口流(liú)速(sù)與葉輪轉速(sù)的相(xiàng)位差(chà)與脈(mò)動頻率呈(chéng)正相關(guān)，低頻脈動流(liú)作(zuò)用下應關注(zhù)葉輪慣性和能量損(sǔn)耗而(ér)産生測量誤差(chà)，高頻脈動流作(zuò)用下應關注測(cè)量結果的滯後而(ér)産生測(cè)量誤(wù)差。
　　綜上所述(shù)，不(bú)同波形(xíng)的(de)脈動流對(duì)渦輪流量(liàng)計的(de)特性影響有相(xiàng)似性，以正(zhèng)弦波脈動(dòng)流爲(wèi)基礎的渦(wō)輪流(liú)量計脈(mò)動(dòng)流補(bǔ)償研究是(shì)具有(yǒu)一(yī)定(dìng)的(de)普适性(xìng)。但是(shì)如果要(yào)進(jìn)一步(bù)提高(gāo)渦輪流量計(jì)的計量(liàng)精度(dù)，改善渦輪(lún)流量計的脈動(dòng)流修正誤差，應該不僅僅(jǐn)關注(zhù)脈動流(liú)的(de)頻率(lǜ)和振(zhèn)幅(fú)。

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