摘要(yao):渦輪(lun)流量(liang)計 在(zai)脈動(dong)流量(liang)下動(dong)态特(te)性，利(li)用FLUENT軟(ruan)件對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計内(nei)脈㊙️動(dong)流場(chang)進行(hang)仿真(zhen)計算(suan)。研究(jiu)中獲(huo)得了(le)流量(liang)計在(zai)不同(tong)脈動(dong)幅值(zhi)和頻(pin)率下(xia)的瞬(shun)時輸(shu)出流(liu)量，通(tong)過正(zheng)弦函(han)數拟(ni)合獲(huo)得各(ge)工況(kuang)輸出(chu)流量(liang)的平(ping)均值(zhi)、脈動(dong)幅值(zhi)和初(chu)始相(xiang)位，進(jin)而對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計❤️幅(fu)頻特(te)性和(he)相頻(pin)特性(xing)進行(hang)了分(fen)析，幅(fu)頻特(te)性随(sui)脈動(dong)頻率(lü)成👣線(xian)性降(jiang)低的(de)趨♋勢(shi)，而相(xiang)頻特(te)性随(sui)頻率(lü)增加(jia)而增(zeng)大而(er)後趨(qu)于🤩穩(wen)定。
0引(yin)言
　　渦(wo)輪流(liu)量計(ji)是典(dian)型的(de)速度(du)式流(liu)量計(ji)「1-2)，通過(guo)測量(liang)葉輪(lun)🏃‍♂️的轉(zhuan)速㊙️來(lai)計算(suan)管道(dao)中流(liu)體體(ti)積流(liu)量。穩(wen)定流(liu)動下(xia)渦輪(lun)流量(liang)計具(ju)有重(zhong)複性(xing)好、量(liang)程範(fan)圍寬(kuan)、适應(ying)性強(qiang)、精度(du)✂️高、體(ti)積小(xiao)等特(te)點。但(dan)在工(gong)業領(ling)域的(de)流量(liang)測量(liang)中，非(fei)穩态(tai)流動(dong)工況(kuang)廣泛(fan)存在(zai)，如脈(mo)動流(liu)量。脈(mo)動🈚流(liu)量可(ke)由旋(xuan)轉式(shi)、往複(fu)式或(huo)其他(ta)可運(yun)動傳(chuan)送設(she)備而(er)産生(sheng)，脈動(dong)🔞流動(dong)--旦形(xing)成就(jiu)會在(zai)流體(ti)中傳(chuan)播，将(jiang)會對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計産(chan)生較(jiao)大的(de)影響(xiang)田⭐。其(qi)脈動(dong)幅度(du)和脈(mo)動頻(pin)率的(de)變化(hua)均會(hui)對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)動态(tai)特性(xing)産生(sheng)一定(ding)的✊影(ying)響。頻(pin)率低(di)、幅度(du)小的(de)脈動(dong)流，一(yi)般情(qing)況下(xia)對流(liu)量測(ce)量影(ying)響不(bu)大♊，但(dan)若脈(mo)動頻(pin)率較(jiao)高或(huo)幅🈲度(du)較大(da)時則(ze)将對(dui)流量(liang)計的(de)幅頻(pin)特性(xing)和相(xiang)頻特(te)性産(chan)生很(hen)大影(ying)響。
　　利(li)用CFD軟(ruan)件對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)正弦(xian)脈動(dong)流動(dong)下的(de)流場(chang)進行(hang)仿真(zhen)計算(suan)，獲得(de)不同(tong)脈動(dong)頻率(lü)和幅(fu)度下(xia)渦🈚輪(lun)流量(liang)計角(jiao)速度(du)曲🈲線(xian)，進🐆而(er)計算(suan)瞬時(shi)流量(liang)，對渦(wo)輪😘流(liu)量計(ji)動态(tai)特性(xing)進行(hang)分析(xi)研究(jiu)。
1渦輪(lun)流量(liang)計建(jian)模
1.1幾(ji)何模(mo)型
　　研(yan)究中(zhong)針對(dui)DN32口徑(jing)的液(ye)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)展開(kai)，其機(ji)芯内(nei)部結(jie)構如(ru)圖1所(suo)示，主(zhu)要包(bao)括前(qian)後導(dao)向件(jian)和葉(ye)輪三(san)部分(fen)。對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)實物(wu)的外(wai)形尺(chi)寸和(he)位置(zhi)關🎯系(xi)等關(guan)鍵尺(chi)寸進(jin)行測(ce)🈲繪(表(biao)1爲渦(wo)輪流(liu)量計(ji)主要(yao)尺寸(cun)參數(shu))，忽略(lue)流量(liang)計🈲進(jin)出口(kou)連接(jie)形式(shi)等次(ci)要因(yin)素的(de)影響(xiang)，繪制(zhi)三維(wei)結構(gou)圖如(ru)圖2所(suo)示。
 
 
1.2流(liu)體仿(pang)真模(mo)型
　　利(li)用Gambit軟(ruan)件進(jin)行幾(ji)何建(jian)模和(he)網格(ge)劃分(fen)，爲使(shi)流動(dong)在🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流(liu)量👄計(ji)入口(kou)處達(da)到充(chong)分發(fa)展的(de)流動(dong)狀态(tai)，分别(bie)在流(liu)量計(ji)的.上(shang)遊設(she)置10倍(bei)長💰直(zhi)管段(duan)，下遊(you)設置(zhi)5倍直(zhi)管段(duan)。将葉(ye)輪所(suo)在區(qu)域定(ding)義爲(wei)旋轉(zhuan)區域(yu)🈲，其餘(yu)部分(fen)定.義(yi)爲靜(jing)止區(qu)域，通(tong)過interface面(mian)将動(dong)靜⛹🏻‍♀️區(qu)域進(jin)行連(lian)接。旋(xuan)轉區(qu)域及(ji)結構(gou)較複(fu)雜的(de)區🈲域(yu)采用(yong)非結(jie)構化(hua)網格(ge);直管(guan)段等(deng)結構(gou)較簡(jian)單的(de)區域(yu)采用(yong)結構(gou)化網(wang)格。
仿(pang)真中(zhong)選用(yong)ReynoldsStress(S-BLS)湍流(liu)模型(xing)，該模(mo)型是(shi)最符(fu)合物(wu)理現(xian)象的(de)模型(xing)❤️，各向(xiang)異性(xing)，輸運(yun)中的(de)雷諾(nuo)應力(li)可直(zhi)接計(ji)算出(chu)來。模(mo)型♌計(ji)算時(shi)間較(jiao)長，适(shi)合大(da)彎曲(qu)流線(xian)、漩渦(wo)以及(ji)三維(wei)轉動(dong)流🌈動(dong)。選用(yong)RP-3航空(kong)煤油(you)作爲(wei)流體(ti)介質(zhi)，以實(shi)測介(jie)質密(mi)度和(he)粘度(du)并設(she)置💚仿(pang)真流(liu)體參(can)數。設(she)置♊下(xia)遊直(zhi)管段(duan)出口(kou)爲自(zi)由出(chu)流(out-flow)條(tiao)件，直(zhi)管段(duan)及流(liu)量⭐計(ji)殼體(ti)爲靜(jing)止💘壁(bi)面(wall);上(shang)遊直(zhi)管段(duan)入口(kou)爲速(su)度入(ru)口(velocity-inlet)。
1.3仿(pang)真方(fang)法
　　渦(wo)輪流(liu)量計(ji)葉輪(lun)受到(dao)流體(ti)沖擊(ji)時，對(dui)葉輪(lun)産生(sheng)驅動(dong)力矩(ju)，同時(shi)受到(dao)各種(zhong)阻力(li)矩的(de)影響(xiang)圖3是(shi)葉輪(lun)所🐉受(shou)力矩(ju)示意(yi)圖💘。葉(ye)輪轉(zhuan)動過(guo)程中(zhong)受到(dao)流體(ti)對葉(ye)片的(de)驅動(dong)力矩(ju)Td，輪‼️毂(gu)側面(mian)受到(dao)流體(ti)粘性(xing)🌈阻力(li)矩Th，輪(lun)毂端(duan)面受(shou)到流(liu)體粘(zhan)性阻(zu)力矩(ju)Tw，葉☎️片(pian)頂端(duan)受到(dao)流體(ti)粘性(xing)阻力(li)矩Tt，同(tong)時葉(ye)片輪(lun)軸與(yu)軸承(cheng)之間(jian)存在(zai)機械(xie)阻力(li)矩Tb，磁(ci)電信(xin)号🌈檢(jian)出器(qi)産生(sheng)磁電(dian)阻力(li)矩Tm。
 
　　式(shi)中:J爲(wei)葉輪(lun)轉動(dong)慣量(liang);ɷ爲葉(ye)輪轉(zhuan)動角(jiao)速度(du);t爲運(yun)行時(shi)間，Trf爲(wei)流體(ti)阻力(li)矩，Trf=Th+Tw+Tt。
　　采(cai)用6DOF模(mo)型實(shi)現對(dui)葉輪(lun)6個自(zi)由度(du)的控(kong)制，包(bao)括X，Y，Z方(fang)向的(de)移動(dong)自由(you)度和(he)圍繞(rao)X，Y，Z軸的(de)旋轉(zhuan)自由(you)度。通(tong)過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏(hong)文件(jian)約束(shu)葉輪(lun)在X，Y，Z方(fang)向上(shang)的移(yi)動以(yi)及圍(wei)繞X，Y軸(zhou)的旋(xuan)轉，隻(zhi)能圍(wei)✌️繞Z軸(zhou)(流動(dong)方向(xiang))進行(hang)轉動(dong)。葉輪(lun)三維(wei)建模(mo)中🙇‍♀️選(xuan)用的(de)材質(zhi)與實(shi)際材(cai)質相(xiang)同，即(ji)可獲(huo)得葉(ye)輪的(de)轉動(dong)慣量(liang)。流體(ti)仿真(zhen)中系(xi)統自(zi)行計(ji)算流(liu)體驅(qu)動力(li)矩、流(liu)體阻(zu)力矩(ju)😘，忽略(lue)軸承(cheng)摩擦(ca)阻力(li)矩和(he)磁電(dian)阻力(li)矩。
　　仿(pang)真中(zhong)通過(guo)UDF函數(shu)對上(shang)遊直(zhi)管段(duan)入口(kou)流速(su)進行(hang)設置(zhi)，流速(su)通🔴過(guo)式(2)和(he)式(3)計(ji)算。
 
　　式(shi)中:qt爲(wei)入口(kou)瞬時(shi)體積(ji)流量(liang);q0爲體(ti)積流(liu)量平(ping)均值(zhi)，Q0=16m3/h;A爲脈(mo)動幅(fu)度;ƒ爲(wei)脈動(dong)頻率(lü);t0爲脈(mo)動流(liu)量起(qi)始時(shi)刻，t0=0.0132s;Vt爲(wei)瞬時(shi)入口(kou)速度(du)平均(jun)值;Ain爲(wei)上遊(you)直管(guan)段入(ru)口截(jie)面積(ji)。
　　仿真(zhen)初始(shi)葉輪(lun)轉速(su)爲零(ling)，根據(ju)葉輪(lun)運動(dong)方程(cheng)自動(dong)🔴計算(suan)和調(diao)整旋(xuan)轉角(jiao)速度(du)，直到(dao)葉輪(lun)趨于(yu)穩定(ding)狀态(tai)，仿真(zhen)中各(ge)工況(kuang)在t,前(qian)葉輪(lun)轉速(su)已經(jing)達到(dao)穩定(ding)狀态(tai)。
2仿真(zhen)結果(guo)與試(shi)驗驗(yan)證
　　仿(pang)真計(ji)算中(zhong)調整(zheng)脈動(dong)幅度(du)(A=5，10，15,20L/min)和脈(mo)動頻(pin)率(ƒ=5，10，15，20，30，40，50Hz)兩(liang)參數(shu)設置(zhi)，計算(suan)28個不(bu)同工(gong)況下(xia)流場(chang)，獲得(de)葉輪(lun)轉速(su)随時(shi)間變(bian)化曲(qu)線，圖(tu)4時脈(mo)動頻(pin)率㊙️爲(wei)20Hz和50Hz時(shi)的葉(ye)輪轉(zhuan)速曲(qu)線。
　　待(dai)流量(liang)計葉(ye)輪旋(xuan)轉平(ping)穩後(hou)，取to時(shi)刻前(qian)的葉(ye)輪轉(zhuan)速通(tong)過式(shi)(4)計算(suan)🈲儀表(biao)系數(shu)。
 
　　式中(zhong):K爲儀(yi)表系(xi)數，L-1;ɷ∞爲(wei)穩定(ding)葉輪(lun)轉速(su)，rad/s;N爲渦(wo)輪葉(ye)片數(shu)量，N=6;q0爲(wei)㊙️入🧑🏾‍🤝‍🧑🏼口(kou)平均(jun)流量(liang)，m3/h。
　　經計(ji)算DN32渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在16m3/h流(liu)量下(xia)，儀表(biao)系數(shu)K=160.6L-1。依據(ju)JJG1037-2008《渦輪(lun)🈲流量(liang)計檢(jian)定規(gui)程》，利(li)用流(liu)量标(biao)準裝(zhuang)置對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計進(jin)行校(xiao)準試(shi)📱驗，獲(huo)得16m3/h流(liu)量下(xia)儀表(biao)系數(shu)K=161.7L-1，與仿(pang)真結(jie)❓果的(de)儀表(biao)系數(shu)相差(cha)僅0.7%，仿(pang)真與(yu)校準(zhun)試驗(yan)一緻(zhi)性非(fei)常好(hao)。
 
3動态(tai)特性(xing)分析(xi)
　　渦輪(lun)流量(liang)計瞬(shun)時輸(shu)出流(liu)量可(ke)由式(shi)(5)計算(suan)。
 
　　式中(zhong):qm爲渦(wo)輪流(liu)量計(ji)瞬時(shi)流量(liang)，m3/h;ɷ爲葉(ye)輪瞬(shun)時轉(zhuan)速，rad/s.
　　由(you)于流(liu)量計(ji)前後(hou)導流(liu)件的(de)作用(yong)，導緻(zhi)葉輪(lun)轉速(su)和流(liu)量計(ji)瞬時(shi)流量(liang)存在(zai)小幅(fu)波動(dong)，圖5是(shi)ƒ=40Hz渦輪(lun)流量(liang)計瞬(shun)時流(liu)量曲(qu)線♉，通(tong)過正(zheng)弦函(han)數對(dui)流量(liang)計瞬(shun)時流(liu)量進(jin)行拟(ni)合，拟(ni)合函(han)數爲(wei)
 
　　式中(zhong):qm0爲流(liu)量計(ji)輸出(chu)瞬時(shi)流量(liang)平均(jun)值，m3/h;ƒm爲(wei)流量(liang)計輸(shu)出🧑🏾‍🤝‍🧑🏼脈(mo)動👄頻(pin)⛹🏻‍♀️率，Hz;Am爲(wei)流量(liang)計輸(shu)出脈(mo)動幅(fu)度;tm0爲(wei)流量(liang)計輸(shu)出脈(mo)🌏動流(liu)量起(qi)始時(shi)刻，:S。
　　仿(pang)真中(zhong)28組工(gong)況拟(ni)合結(jie)果決(jue)定系(xi)數都(dou)大于(yu)0.995，拟合(he)效果(guo)非常(chang)✊好，拟(ni)合獲(huo)得了(le)各工(gong)況渦(wo)輪流(liu)量計(ji)輸出(chu)流🌏量(liang)的平(ping)均值(zhi)qm0、脈動(dong)頻率(lü)ƒm、脈動(dong)幅度(du)Am和脈(mo)動起(qi)始時(shi)刻tm0四(si)個參(can)🙇🏻數。流(liu)量計(ji)輸出(chu)幅頻(pin)特☀️性(xing)和相(xiang)頻特(te)性分(fen)别通(tong)過式(shi)(7)和🏃🏻‍♂️式(shi)(8)計算(suan)。
 
 
　　将各(ge)工況(kuang)正弦(xian)拟合(he)曲線(xian)作爲(wei)動态(tai)輸出(chu)，與入(ru)口瞬(shun)㊙️時流(liu)量🧡進(jin)行比(bi)較，圖(tu)6是脈(mo)動頻(pin)率分(fen)别爲(wei)5，50Hz時渦(wo)輪流(liu)量計(ji)動态(tai)信号(hao)曲線(xian)圖，可(ke)見脈(mo)動幅(fu)值對(dui)相位(wei)差基(ji)本無(wu)影響(xiang)。各工(gong)🍉況流(liu)量計(ji)輸出(chu)流量(liang)的平(ping)均值(zhi)比較(jiao)恒定(ding)，變化(hua)範圍(wei)是16.079~16.094m3/h，比(bi)輸入(ru)流量(liang)平均(jun)值偏(pian)大不(bu)足0.6%。圖(tu)🍓7是渦(wo)輪流(liu)量計(ji)幅頻(pin)特性(xing)與相(xiang)頻特(te)性曲(qu)線圖(tu)。A*随脈(mo)動頻(pin)率ƒ基(ji)本成(cheng)線性(xing)降低(di)的趨(qu)勢，低(di)頻情(qing)況下(xia)A*≈1，且略(lue)🌈大于(yu)1;随脈(mo)動頻(pin)率增(zeng)加，A*逐(zhu)漸減(jian)小，在(zai)ƒ=50Hz時A*≈0.8。對(dui)于相(xiang)位差(cha)‼️而言(yan)，在ƒ<40Hz的(de)範圍(wei)内，相(xiang)位差(cha)随脈(mo)動頻(pin)率💋增(zeng)✏️加而(er)增大(da)，相位(wei)差由(you)3.7°~4.8°增大(da)至20.9°~24.2°;在(zai)ƒ=40Hz之㊙️後(hou)，相位(wei)差趨(qu)于平(ping)穩。葉(ye)輪是(shi)渦輪(lun)流量(liang)計内(nei)的唯(wei)---可動(dong)✔️部件(jian)，葉輪(lun)在流(liu)體驅(qu)動力(li)矩和(he)阻力(li)矩作(zuo)用下(xia)産生(sheng)加速(su)度，由(you)于葉(ye)輪自(zi)身轉(zhuan)動慣(guan)量的(de)影響(xiang)，導緻(zhi)葉輪(lun)角速(su)度📐變(bian)化滞(zhi)後于(yu)流量(liang)脈動(dong)流動(dong)😄變化(hua)，産生(sheng)流量(liang)示值(zhi)與真(zhen)實之(zhi)間的(de)相位(wei)差，而(er)相位(wei)差受(shou)到流(liu)量計(ji)自身(shen)時間(jian)常數(shu)和流(liu)量脈(mo)動輸(shu)入雙(shuang)方面(mian)的綜(zong)合影(ying)響，渦(wo)輪流(liu)量計(ji)一般(ban)認爲(wei)是一(yi)階非(fei)線性(xing)系統(tong)[1o]，其時(shi)間常(chang)數是(shi)随流(liu)量輸(shu)入而(er)改變(bian)的。
 
 
4結(jie)論
　　研(yan)究中(zhong)利用(yong)FLUENT軟件(jian)中的(de)6DOF模型(xing)對DN32口(kou)徑渦(wo)輪流(liu)量計(ji)進行(hang)流體(ti)仿真(zhen)🚶，仿真(zhen)過程(cheng)中改(gai)變入(ru)口流(liu)量脈(mo)動幅(fu)值♍和(he)脈動(dong)頻率(lü)，共♋獲(huo)得28組(zu)工⭐況(kuang)脈動(dong)流動(dong)下的(de)流場(chang)。分析(xi)獲得(de)葉輪(lun)轉速(su)随時(shi)間變(bian)化曲(qu)線，并(bing)利用(yong)正弦(xian)函數(shu)對流(liu)量計(ji)輸出(chu)進行(hang)拟合(he)，獲得(de)流量(liang)計瞬(shun)時流(liu)量✔️的(de)平均(jun)值、脈(mo)動幅(fu)值和(he)初始(shi)相位(wei)等參(can)數，進(jin)一步(bu)獲得(de)了流(liu)量計(ji)幅頻(pin)特性(xing)和相(xiang)頻🌈特(te)性。各(ge)工況(kuang)流量(liang)計輸(shu)出流(liu)量平(ping)均值(zhi)可認(ren)爲是(shi)定值(zhi)，幅頻(pin)特性(xing)随脈(mo)動頻(pin)率成(cheng)線性(xing)降低(di)的趨(qu)勢，而(er)相頻(pin)特性(xing)受到(dao)渦輪(lun)流量(liang)計時(shi)間☁️常(chang)數和(he)脈動(dong)🌈輸入(ru)綜合(he)影響(xiang)，在ƒ<40Hz的(de)範圍(wei)内随(sui)頻率(lü)增加(jia)而增(zeng)加，在(zai)ƒ=40Hz之後(hou)，相頻(pin)特性(xing)趨于(yu)平穩(wen)。
　　本仿(pang)真研(yan)究中(zhong)，渦輪(lun)流量(liang)計規(gui)格單(dan)一且(qie)工況(kuang)較少(shao)，未♻️來(lai)還需(xu)📞要結(jie)合理(li)論分(fen)析、實(shi)流試(shi)驗、流(liu)體仿(pang)真等(deng)多種(zhong)手段(duan)對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在脈(mo)動流(liu)動下(xia)動态(tai)特性(xing)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼開展(zhan)研🧑🏽‍🤝‍🧑🏻究(jiu)，進一(yi)步探(tan)究渦(wo)輪流(liu)量計(ji)動📐态(tai)響應(ying)機理(li)和修(xiu)正方(fang)法，提(ti)高渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在脈(mo)動流(liu)量測(ce)量中(zhong)的精(jing)度。

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