摘要:渦輪流量計在脈動流量下動態(tài)特性，利用FLUENT軟件對渦輪流量計內(nèi)脈動流場進(jìn)行仿真計算。研究中獲得了流量計在不同脈動幅值和頻率下的瞬時輸出流量，通過正弦函數(shù)擬合獲得各工況輸出流量的平均值、脈動幅值和初始相位，進(jìn)而對渦輪流量計幅頻特性和相頻特性進(jìn)行了分析，幅頻特性隨脈動頻率成線性降低的趨勢，而相頻特性隨頻率增加而增大而后趨于穩(wěn)定。
0引言
　　渦輪流量計是典型的速度式流量計「1-2)，通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來計算管道中流體體積流量。穩(wěn)定流動下渦輪流量計具有重復(fù)性好、量程范圍寬、適應(yīng)性強、精度高、體積小等特點。但在工業(yè)領(lǐng)域的流量測量中，非穩(wěn)態(tài)流動工況廣泛存在，如脈動流量。脈動流量可由旋轉(zhuǎn)式、往復(fù)式或其他可運動傳送設(shè)備而產(chǎn)生，脈動流動--旦形成就會在流體中傳播，將會對渦輪流量計產(chǎn)生較大的影響田。其脈動幅度和脈動頻率的變化均會對渦輪流量計動態(tài)特性產(chǎn)生一定的影響。頻率低、幅度小的脈動流，一般情況下對流量測量影響不大，但若脈動頻率較高或幅度較大時則將對流量計的幅頻特性和相頻特性產(chǎn)生很大影響。
　　利用CFD軟件對渦輪流量計在正弦脈動流動下的流場進(jìn)行仿真計算，獲得不同脈動頻率和幅度下渦輪流量計角速度曲線，進(jìn)而計算瞬時流量，對渦輪流量計動態(tài)特性進(jìn)行分析研究。
1渦輪流量計建模
1.1幾何模型
　　研究中針對DN32口徑的液體渦輪流量計展開，其機芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括前后導(dǎo)向件和葉輪三部分。對渦輪流量計實物的外形尺寸和位置關(guān)系等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測繪(表1為渦輪流量計主要尺寸參數(shù))，忽略流量計進(jìn)出口連接形式等次要因素的影響，繪制三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
 
 
1.2流體仿真模型
　　利用Gambit軟件進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，為使流動在流量計入口處達(dá)到充分發(fā)展的流動狀態(tài)，分別在流量計的.上游設(shè)置10倍長直管段，下游設(shè)置5倍直管段。將葉輪所在區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，其余部分定.義為靜止區(qū)域，通過interface面將動靜區(qū)域進(jìn)行連接。旋轉(zhuǎn)區(qū)域及結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;直管段等結(jié)構(gòu)較簡單的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
仿真中選用ReynoldsStress(S-BLS)湍流模型，該模型是最符合物理現(xiàn)象的模型，各向異性，輸運中的雷諾應(yīng)力可直接計算出來。模型計算時間較長，適合大彎曲流線、漩渦以及三維轉(zhuǎn)動流動。選用RP-3航空煤油作為流體介質(zhì)，以實測介質(zhì)密度和粘度并設(shè)置仿真流體參數(shù)。設(shè)置下游直管段出口為自由出流(out-flow)條件，直管段及流量計殼體為靜止壁面(wall);上游直管段入口為速度入口(velocity-inlet)。
1.3仿真方法
　　渦輪流量計葉輪受到流體沖擊時，對葉輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，同時受到各種阻力矩的影響圖3是葉輪所受力矩示意圖。葉輪轉(zhuǎn)動過程中受到流體對葉片的驅(qū)動力矩Td，輪轂側(cè)面受到流體粘性阻力矩Th，輪轂端面受到流體粘性阻力矩Tw，葉片頂端受到流體粘性阻力矩Tt，同時葉片輪軸與軸承之間存在機械阻力矩Tb，磁電信號檢出器產(chǎn)生磁電阻力矩Tm。
 
　　式中:J為葉輪轉(zhuǎn)動慣量;ɷ為葉輪轉(zhuǎn)動角速度;t為運行時間，Trf為流體阻力矩，Trf=Th+Tw+Tt。
　　采用6DOF模型實現(xiàn)對葉輪6個自由度的控制，包括X，Y，Z方向的移動自由度和圍繞X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度。通過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏文件約束葉輪在X，Y，Z方向上的移動以及圍繞X，Y軸的旋轉(zhuǎn)，只能圍繞Z軸(流動方向)進(jìn)行轉(zhuǎn)動。葉輪三維建模中選用的材質(zhì)與實際材質(zhì)相同，即可獲得葉輪的轉(zhuǎn)動慣量。流體仿真中系統(tǒng)自行計算流體驅(qū)動力矩、流體阻力矩，忽略軸承摩擦阻力矩和磁電阻力矩。
　　仿真中通過UDF函數(shù)對上游直管段入口流速進(jìn)行設(shè)置，流速通過式(2)和式(3)計算。
 
　　式中:qt為入口瞬時體積流量;q0為體積流量平均值，Q0=16m3/h;A為脈動幅度;ƒ為脈動頻率;t0為脈動流量起始時刻，t0=0.0132s;Vt為瞬時入口速度平均值;Ain為上游直管段入口截面積。
　　仿真初始葉輪轉(zhuǎn)速為零，根據(jù)葉輪運動方程自動計算和調(diào)整旋轉(zhuǎn)角速度，直到葉輪趨于穩(wěn)定狀態(tài)，仿真中各工況在t,前葉輪轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
2仿真結(jié)果與試驗驗證
　　仿真計算中調(diào)整脈動幅度(A=5，10，15,20L/min)和脈動頻率(ƒ=5，10，15，20，30，40，50Hz)兩參數(shù)設(shè)置，計算28個不同工況下流場，獲得葉輪轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線，圖4時脈動頻率為20Hz和50Hz時的葉輪轉(zhuǎn)速曲線。
　　待流量計葉輪旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，取to時刻前的葉輪轉(zhuǎn)速通過式(4)計算儀表系數(shù)。
 
　　式中:K為儀表系數(shù)，L-1;ɷ∞為穩(wěn)定葉輪轉(zhuǎn)速，rad/s;N為渦輪葉片數(shù)量，N=6;q0為入口平均流量，m3/h。
　　經(jīng)計算DN32渦輪流量計在16m3/h流量下，儀表系數(shù)K=160.6L-1。依據(jù)JJG1037-2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》，利用流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對渦輪流量計進(jìn)行校準(zhǔn)試驗，獲得16m3/h流量下儀表系數(shù)K=161.7L-1，與仿真結(jié)果的儀表系數(shù)相差僅0.7%，仿真與校準(zhǔn)試驗一致性非常好。
 
3動態(tài)特性分析
　　渦輪流量計瞬時輸出流量可由式(5)計算。
 
　　式中:qm為渦輪流量計瞬時流量，m3/h;ɷ為葉輪瞬時轉(zhuǎn)速，rad/s.
　　由于流量計前后導(dǎo)流件的作用，導(dǎo)致葉輪轉(zhuǎn)速和流量計瞬時流量存在小幅波動，圖5是ƒ=40Hz渦輪流量計瞬時流量曲線，通過正弦函數(shù)對流量計瞬時流量進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)為
 
　　式中:qm0為流量計輸出瞬時流量平均值，m3/h;ƒm為流量計輸出脈動頻率，Hz;Am為流量計輸出脈動幅度;tm0為流量計輸出脈動流量起始時刻，:S。
　　仿真中28組工況擬合結(jié)果決定系數(shù)都大于0.995，擬合效果非常好，擬合獲得了各工況渦輪流量計輸出流量的平均值qm0、脈動頻率ƒm、脈動幅度Am和脈動起始時刻tm0四個參數(shù)。流量計輸出幅頻特性和相頻特性分別通過式(7)和式(8)計算。
 
 
　　將各工況正弦擬合曲線作為動態(tài)輸出，與入口瞬時流量進(jìn)行比較，圖6是脈動頻率分別為5，50Hz時渦輪流量計動態(tài)信號曲線圖，可見脈動幅值對相位差基本無影響。各工況流量計輸出流量的平均值比較恒定，變化范圍是16.079~16.094m3/h，比輸入流量平均值偏大不足0.6%。圖7是渦輪流量計幅頻特性與相頻特性曲線圖。A*隨脈動頻率ƒ基本成線性降低的趨勢，低頻情況下A*≈1，且略大于1;隨脈動頻率增加，A*逐漸減小，在ƒ=50Hz時A*≈0.8。對于相位差而言，在ƒ<40Hz的范圍內(nèi)，相位差隨脈動頻率增加而增大，相位差由3.7°~4.8°增大至20.9°~24.2°;在ƒ=40Hz之后，相位差趨于平穩(wěn)。葉輪是渦輪流量計內(nèi)的唯---可動部件，葉輪在流體驅(qū)動力矩和阻力矩作用下產(chǎn)生加速度，由于葉輪自身轉(zhuǎn)動慣量的影響，導(dǎo)致葉輪角速度變化滯后于流量脈動流動變化，產(chǎn)生流量示值與真實之間的相位差，而相位差受到流量計自身時間常數(shù)和流量脈動輸入雙方面的綜合影響，渦輪流量計一般認(rèn)為是一階非線性系統(tǒng)[1o]，其時間常數(shù)是隨流量輸入而改變的。
 
 
4結(jié)論
　　研究中利用FLUENT軟件中的6DOF模型對DN32口徑渦輪流量計進(jìn)行流體仿真，仿真過程中改變?nèi)肟诹髁棵}動幅值和脈動頻率，共獲得28組工況脈動流動下的流場。分析獲得葉輪轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線，并利用正弦函數(shù)對流量計輸出進(jìn)行擬合，獲得流量計瞬時流量的平均值、脈動幅值和初始相位等參數(shù)，進(jìn)一步獲得了流量計幅頻特性和相頻特性。各工況流量計輸出流量平均值可認(rèn)為是定值，幅頻特性隨脈動頻率成線性降低的趨勢，而相頻特性受到渦輪流量計時間常數(shù)和脈動輸入綜合影響，在ƒ<40Hz的范圍內(nèi)隨頻率增加而增加，在ƒ=40Hz之后，相頻特性趨于平穩(wěn)。
　　本仿真研究中，渦輪流量計規(guī)格單一且工況較少，未來還需要結(jié)合理論分析、實流試驗、流體仿真等多種手段對渦輪流量計在脈動流動下動態(tài)特性開展研究，進(jìn)一步探究渦輪流量計動態(tài)響應(yīng)機理和修正方法，提高渦輪流量計在脈動流量測量中的精度。

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