摘要:
渦輪流量計在油氣管道運輸、貿易計量中運用相當廣泛，在很多工況下無可避免會產生脈動流，對渦輪流量計的正常工作造成嚴重影響。脈動流對渦輪流量計的影響情況和尋求補償關鍵特征，以DN50渦輪流量計為對象，通過數值模擬，兩種波形(正弦波、方波)、多個頻率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個相對振幅(5%、10%、25%、35%)的脈動流下渦輪流量計的動態特性。發現:在頻率和相對振幅相同的情況下，波形對脈動流產生的正誤差大小不同。其中，方波脈動流比正弦波對渦輪流量計的影響大。此外，相同頻率和振幅下，方波脈動流比正弦波脈動流的幅值比G大，且幅值比G與脈動頻率均為負相關。最后利用傳遞函數討論了，入口流速與葉輪轉速的相位差與脈動頻率呈正相關，脈動頻率會致使測量結果滯后，產生測量誤差。
0引言
渦輪流量計在油氣管道運輸、貿易計量中發揮著重要作用，也常被用作工作級標準表，因此對其性能和穩定性要求高，渦輪流量計需要定期在穩定流態中修正儀表系數K以保證精度。然而在天然氣管道運輸中，由于旋轉式或往復式壓氣機、鼓風機、泵管道中流體的共振和流量控制設備的周期振蕩等，均可能導致非穩態流產生。GB/T21391-2022《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》中明確給出脈動流是影響渦輪流量計測量準確度的因素之一。脈動流作為一種典型的非穩態流，一旦形成就會在流體中傳播，會對渦輪流量計現場應用產生很大的測量誤差，從而產生供銷差叫，不利于正確測量。
對渦輪流量計的動態響應展開了分析研究，但大多數研究是以連續條件下的正弦脈動流為分析基礎。但是生產實際現場，由于管道振動、往復泵動作、調節閥開度變換或者人為干預下等，產生的脈動流并不全是連續的正弦波脈動流。為了進一步討論脈動流波形對渦輪流量計的性能影響，用CFD仿真研究不同波形脈動流對渦輪流量計的影響情況。
1渦輪流量計數值仿真建模和模型驗證
1.1渦輪流量計仿真模型建立
采用1.5級DN50氣體渦輪流量計為研究對象，建立的內部結構仿真模型，渦輪流量計基本參數如表1所示。在仿真實驗中,按照標準安裝方式設置，前后直管段同軸設置,前直管段長為10D，后直管段5D。
抽取管道流場，劃分網格，葉輪周圍的流場如圖1所示。前后直管段的網格尺寸為2mm,葉輪周圍的網格尺寸為1mm，葉輪邊沿的網格尺寸為0.2mm，總共487471個單元，2616035個節點。
表1渦輪流量計結構參數
| 葉片個數 |
葉輪長度mm |
葉片厚度mm |
輪轂半徑mm |
葉輪半徑mm |
前導長度mm |
后導長度mm |
8 |
12 |
0.6 |
13.5 |
23 |
77 |
53 |
1.2仿真邊界條件設置
入口采用速度入口條件(Velocity-inlet)，出口采用壓力出口條件(Pressure-outlet)，湍流模型選擇Realizablek-ε模型，流體介質設置為空氣，葉輪為鋁質材質，轉動慣量為1.25X10-6kg.m',選擇渦輪流量計的分界流量點進行數值仿真。入口速度由UDF給出，出口壓力為0.5MPa,運動模型采用6DOF模型。
1.3仿真實驗設置脈動流參數設置
設置渦輪流量計平均入口流速為2.83m/s。不同波形的脈動流對應的入口速度表達式分別如下:
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
式中，V1、V2一分別為正弦波、方波的速度入口的瞬時速度，m/s;[]一表示向下取整函數，或稱為高斯函數;α一脈動流振幅;ƒ一脈動流頻率。
在脈動流影響研究的仿真實驗中，脈動流的振幅頻率參數如表2所示。
2穩態響應分析
2.1儀表系數及其誤差分析
導出各工況仿真葉輪穩定轉速，取轉速平均值計算儀表系數K,與給定的儀表系數K0(42.9)對比，計算K值相對誤差，結果如表3所示。儀表系數的相對誤差隨頻率變化曲線如表3所示。
分析表3可知:(1)脈動流均會引起葉輪轉速偏高;(2)在相同振幅下，方波、正弦脈動流作用下，葉輪穩定轉速會隨著頻率、振幅增加而增加;脈動流作用下，葉輪穩定轉速會隨著頻率、振幅增加而減小;(3)對比K值相對誤差時，方波脈動流作用渦輪流量計產生始終是最大的，誤差高達19.58%;正弦脈動流作用下，誤差最高為9.79%。脈動流作用下，最大誤差為3.73%。
2.2幅值比G
為了分析渦輪流量計的響應(轉速變化)與脈動流的幅值相對變化情況，引入幅值比G:
式中:wi為轉速穩定后葉輪轉速的幅值;Aq為入口流量的脈動幅值。
分析幅值比G與脈動流頻率的關系可知:(1)幅值比G與脈動頻率振幅均為負相關;(2)相同頻率和振幅下，方波的幅值比更大，說明渦輪流量計對不同波形脈動流的敏感度存在差異。
3動態響應分析
3.1葉輪轉速響應曲線分析
葉輪轉速響應可以直觀地反映出每個工況的響應過程，分析可知:(1)定常流作用下的葉輪響應曲線，與方波、正弦波作用下的葉輪響應曲線相差較大;(2)相同頻率的不同波形脈動流作用下，葉輪轉速響應與波形、振幅均相關;(3)相同頻率和同波形的脈動流，振幅與轉速響應正相關。
3.2傳遞函數分析
通過對渦輪流量計旋轉穩定后的增減流階躍響應進行仿真，入口流量點為20m3/h，當葉輪轉速穩定后，分別設置增流、減流，增流和減流調整量相同，均為原流量的35%，得出渦輪流量計增減流的階躍響應曲線，將渦輪流量計看作一個帶延時的一階系統。
由響應曲線可以得出在增流減流中的傳遞函數，函數繪制BODE圖，如圖2所示。
在BODE圖上可以看出，同一臺渦輪流量計，在增流和減流時的特性是不一樣的:(1)增流響應比減流響應快，所以渦輪流量計在脈動流作用下出現正誤差;(2)增流比減流作用強，在減流衰減更快;(3)在低頻率下，脈動流誤差主要與脈動振幅相關;在高頻率下，脈動流誤差還與相位差有關，相位差。
4結論
綜上所述，對DN50氣體渦輪流量計建立了仿真模型，展開CFD仿真研究。根據仿真結果,從穩態響應和動態響應兩方面進行分析，得出以下結論:
(1)脈動流影響下的渦輪流量計測量結果均會產生正誤差，但是不同波形的脈動流產生的正誤差大小不同，源于葉輪在增流、減流時的特性差異，增流響應快，減流響應慢。
(2)脈動流作用下，入口流速與葉輪轉速的相位差與脈動頻率呈正相關，低頻脈動流作用下應關注葉輪慣性和能量損耗而產生測量誤差，高頻脈動流作用下應關注測量結果的滯后而產生測量誤差。
綜上所述，不同波形的脈動流對渦輪流量計的特性影響有相似性，以正弦波脈動流為基礎的渦輪流量計脈動流補償研究是具有一定的普適性。但是如果要進一步提高渦輪流量計的計量精度，改善渦輪流量計的脈動流修正誤差，應該不僅僅關注脈動流的頻率和振幅。
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