1.脈動(dòng)流特性
幾乎所有的管道流都是不穩(wěn)定的,不論是層流狀態(tài)還是湍流狀態(tài)下都存在各種干擾。所謂脈動(dòng)流是指流體在測(cè)量區(qū)域的流速是時(shí)間的函數(shù),但在一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)有一個(gè)恒定的平均值,這個(gè)值決定于脈動(dòng)流的流動(dòng)規(guī)律。
真正的管道定常流僅出現(xiàn)在層流中,大多數(shù)工業(yè)管流均出現(xiàn)湍流現(xiàn)象,試試一種統(tǒng)計(jì)意義上的定常流,脈動(dòng)流會(huì)影響
渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度,有時(shí)會(huì)使其測(cè)量值嚴(yán)重失真,所以工業(yè)上迫切需要研究脈動(dòng)流對(duì)其測(cè)量精度的影響。
脈動(dòng)無(wú)處無(wú)時(shí)不在,但測(cè)量卻非常困難,我們通常只能測(cè)量出脈動(dòng)的主要參數(shù),如輻值、頻率和波形,然后通過(guò)這些參數(shù)分析脈動(dòng)可能給流量計(jì)造成的影響。
2.脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的影響
2.1特性方程及計(jì)算
渦輪流量計(jì)以動(dòng)量矩守恒定理為基礎(chǔ)的一種速度式流量?jī)x表,對(duì)非穩(wěn)定流由于轉(zhuǎn)子葉片和相關(guān)傳動(dòng)裝置的共振、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、脈動(dòng)的形狀、轉(zhuǎn)子和齒輪摩擦阻力及轉(zhuǎn)子瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩等因素影響,使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生很大的誤差,用機(jī)翼理論來(lái)分析作用在轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩,可得到其運(yùn)動(dòng)方程:
式中J為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,θ為葉與軸線之間的夾角,r為渦輪葉片的平均半徑,A為管道流量面積,ρ為流體密度,ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角加速度,Q為通過(guò)管道流量。
若把脈動(dòng)流表示為Q=asin2πfpt,經(jīng)過(guò)分析整理,可得出渦輪旋轉(zhuǎn)角加速度與脈動(dòng)流各參數(shù)的關(guān)系:22
其中C為穩(wěn)態(tài)時(shí)的ω值。
對(duì)特定的渦輪流量計(jì)和不同的脈動(dòng)流,可編程計(jì)算出(2)式在脈動(dòng)周?chē)鷥?nèi)各離散點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的ω(t),據(jù)此計(jì)算可畫(huà)出ω(t)曲線,其流程圖如圖1:
2.2結(jié)構(gòu)與分析
經(jīng)過(guò)計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致
流量計(jì)產(chǎn)生誤差的主要因素是脈動(dòng)流的頻率,所加的正弦脈動(dòng)流的頻率與穩(wěn)態(tài)下渦輪的旋轉(zhuǎn)角加速度的關(guān)系為ω=2πfp(1/qm)r2時(shí),相應(yīng)曲線與輸入正弦曲線最為接近,與理論分析基本吻合,多次改變脈動(dòng)流頻率、振幅參數(shù),發(fā)現(xiàn)有時(shí)圖形失真非常厲害,通過(guò)對(duì)多幅圖形的比較,發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律:(見(jiàn)圖2、3)
- 當(dāng)脈動(dòng)流頻率fp大于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí),儀表的相應(yīng)曲線開(kāi)始失真,脈動(dòng)頻率導(dǎo)致相應(yīng)曲線的幅值發(fā)生改變,經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),脈動(dòng)頻率越大,響應(yīng)幅值越小,脈動(dòng)頻率越小,響應(yīng)幅值越大,即隨著頻率的增大,響應(yīng)失真程度隨著增大,但最終有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。
- 當(dāng)脈動(dòng)流頻率fp大于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí),響應(yīng)曲線的失真程度隨脈動(dòng)振幅的增大而加劇,但當(dāng)脈動(dòng)振幅小于某一振幅值時(shí),其變化可認(rèn)為不影響渦輪流量計(jì)的精度;當(dāng)脈動(dòng)頻率fp小于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí),響應(yīng)曲線的失真程度與脈動(dòng)振幅的變化無(wú)關(guān)聯(lián)。
- 對(duì)于形狀不失真的響應(yīng)曲線,其響應(yīng)曲線的幅值還與其它參數(shù)有關(guān)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)測(cè)量誤差影響較大的參數(shù)還有葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和葉片的初始旋轉(zhuǎn)角加速度C.J越小,響應(yīng)曲線的幅值越大,J越大,響應(yīng)曲線的幅值越小,但J太大或太小都會(huì)影響響應(yīng)曲線的幅值失真過(guò)大,其值取在2*10-6-3*10-6(kg.m2)之間時(shí),響應(yīng)曲線最好,從參數(shù)分析可知,響應(yīng)曲線與輸入脈動(dòng)曲線之間有一個(gè)位移,此位移的大小主要是與初始值C有關(guān)。
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3.結(jié)論
從以上分析計(jì)算可知,脈動(dòng)流頻率對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度影響最大,當(dāng)脈動(dòng)頻率fp小于旋轉(zhuǎn)角加速度ω時(shí),流量?jī)x表的響應(yīng)曲線與輸入脈動(dòng)曲線相似,測(cè)量結(jié)構(gòu)接近于真值;脈動(dòng)振幅對(duì)渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度存在影響,但當(dāng)脈動(dòng)振幅小于某一振幅值時(shí),可認(rèn)為其不影響渦輪流量計(jì)的精度;葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和葉片的初始旋轉(zhuǎn)加速度C也對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度有影響。
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