引言
所謂脈動流是指流體在測量區(qū)域的流速是時(shí)間的函數(shù),但在一個(gè)足夠長的時(shí)間段內(nèi)有一個(gè)恒定的平均值,這個(gè)值取決于脈動流的流動規(guī)律。
真正的管道定常流只在層流中出現(xiàn),通常其Re <2000 ,大多數(shù)工業(yè)管流均有較高的Re 數(shù),且出現(xiàn)湍流現(xiàn)象。這些流體通常在速度、壓力和溫度上出現(xiàn)連續(xù)的、無規(guī)則的、隨機(jī)的波動。導(dǎo)致波動產(chǎn)生的原因有多種,可因旋轉(zhuǎn)動力機(jī)械,如旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式發(fā)動機(jī)、壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)造成,可由工作管道的振動,特別是共振造成,也可由流量控制器的周期性動作和調(diào)節(jié)器的往復(fù)開關(guān)及流體管道裝置、閥或旋轉(zhuǎn)機(jī)械分流造成,還可因流體系統(tǒng)的幾何特征而引起的流體力學(xué)振動和多段流而引起。脈動流的存在會導(dǎo)致流量計(jì)出現(xiàn)計(jì)量誤差,甚至不能正常工作,其中尤以差壓式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)對其zui為敏感。如何校正或減少脈動對流量測量特性的影響,是流量測量中比較重要的課題。
1脈動流特性參數(shù)的主要測量方法
脈動無處無時(shí)不在,但測量卻非常困難,直接測量脈動流幾乎是不可能的,我們通常測量出脈動流的主要參數(shù),如幅值、頻率和波形,然后通過這些參數(shù)分析脈動可能給流量計(jì)造成的影響。通常主要的測量方法有非接觸方法和接觸方法。
非接觸方法包括光學(xué)方法和聲學(xué)方法。光學(xué)方法主要采用LDA ,此技術(shù)可測出管軸線處的點(diǎn)速度,并對脈動流振幅和波形作出估算。聲學(xué)方法主要采用Doppler Shift ,該技術(shù)僅用于液體,其傳送器和接受器安裝在管道外壁,可據(jù)其測得的充分發(fā)展的瞬時(shí)速度剖面計(jì)算其脈動特性。接觸方法主要是風(fēng)速儀法,可用來測量脈動點(diǎn)速度,它具有足夠的測量頻寬,可采用在線計(jì)算機(jī)顯示流速的zui大脈動量。
2脈動流對渦輪流量計(jì)測量誤差的影響
2. 1誤差方程及其計(jì)算
以動量矩守恒原理為基礎(chǔ),是一種速度式流量儀表。對非穩(wěn)定流,由于轉(zhuǎn)子葉片和相關(guān)傳動裝置的共振、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、脈動流的形狀、轉(zhuǎn)子和齒輪的摩擦阻力及轉(zhuǎn)子瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩等諸多因素的影響,會使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生很大的誤差。應(yīng)用機(jī)翼理論來分析作用在轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動力矩和阻力矩,可得到其運(yùn)動方程:Jdωd t=tgθArρq2 - r2ωρq （1）式中: J 為葉片轉(zhuǎn)動慣量;θ為葉片與軸線之間的夾角; r 為渦輪葉片的平均半徑; A 為管道流道面積;ρ為流體密度;ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度; q 為通過管道的流量。若把脈動流表示為q = asin2πf pt ,經(jīng)分析整理,可得出渦輪旋轉(zhuǎn)加速度與脈動流各參數(shù)的關(guān)系:ω（ t） = ce（ r2ρ/ 2πf pJ） （cos2πf pt - 1） + e（ ar2ρ/ 2πf pJ） （cos2πf pt - 1） ×∫t0tgθrρAJa2sin22πf pte（ ar2ρ/ 2πf pJ） （1- cos2πf pt） d t （2）式中: c 為穩(wěn)態(tài)時(shí)的ω值。此時(shí)其測量誤差可用下式表示:E = ω/ c - 1 （3）對特定的渦輪流量計(jì)和不同的脈動流,可編程計(jì)算出式（2） 在脈動周期內(nèi)各離散點(diǎn)所對應(yīng)的ω（ t） , 據(jù)此可計(jì)算出渦輪流量計(jì)測量誤差E。其流程圖如圖1 所示。圖1 測量誤差計(jì)算流程圖
2. 2結(jié)果與分析
通過對多幅圖形的比較,發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律:① 從曲線分布的象限來看,脈動流導(dǎo)致渦輪流量計(jì)出現(xiàn)一個(gè)正誤差。當(dāng)流體出現(xiàn)脈動時(shí),在加速流體中,葉片的轉(zhuǎn)動慣量能引起轉(zhuǎn)子速度變慢,落后于定常流時(shí)的轉(zhuǎn)速;在減速流體中,葉片的轉(zhuǎn)動慣量能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度加快,超過定常流時(shí)的轉(zhuǎn)速。由于加速時(shí)的影響比減速時(shí)的影響小得多,因此,脈動流出現(xiàn)時(shí)流量計(jì)顯示的平均流速遠(yuǎn)大于平均流量,出現(xiàn)正誤差,此誤差有時(shí)zui大可達(dá)50 %。② 當(dāng)脈動頻率f p 小于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時(shí),測量結(jié)果接近真值, 脈動流所引起的誤差很小。當(dāng)脈動頻率f p 大于渦輪轉(zhuǎn)子的角頻率ω時(shí), 響應(yīng)失真, 會引起較大誤差,且隨著頻率的增大, 誤差隨著增大, zui終趨于穩(wěn)定（見圖2 和圖3） 。③ 當(dāng)脈動頻率大于渦輪轉(zhuǎn)子的角加速度時(shí),脈動振幅的變化能引起渦輪流量計(jì)的測量誤差產(chǎn)生大的改變,此誤差隨著脈動振幅的增大而升高, zui大可達(dá)50 % ,但zui終趨于穩(wěn)定。（見圖4 和圖5 ,α為脈動振幅與穩(wěn)態(tài)振幅之比） 。圖2 脈動頻率f p 小于角加速度時(shí)圖3 脈動頻率f p 大于角加速度時(shí)圖4 脈動振幅為a = 012 時(shí)圖5 脈動振幅為a = 1 時(shí)
3結(jié)論
從以上分析計(jì)算可知,脈動流使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生一個(gè)正的系統(tǒng)誤差,該誤差受脈動頻率和振幅的影響。當(dāng)脈動頻率小于角加速度時(shí),其誤差可以認(rèn)為為零;當(dāng)脈動振幅小于某一振幅值時(shí),其誤差亦可認(rèn)為不影響渦輪流量計(jì)的精度。脈動流對渦輪流量計(jì)測量精度的影響存在極限值。
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