脉动气体流对涡轮流量计测量误差的影响

　　0　引言

　　所谓脉动流是指流体在测量区域的流速是时间的函数,但在一个足够长的时间段内有一个恒定的平均值,这个值取决于脉动流的流动规律。我们把脉动流分为周期性脉动流和随机脉动流,通常提及的脉动流大多指周期性脉动流。脉动流体通常在速度、压力和温度上出现连续的、无规则的、随机的波动。导致波动产生的原因有多种,可因旋转动力机械,如旋转或往复式发动机、压缩机和鼓风机或水泵造成,可由工作管道的振动,特别是共振造成,也可由流量控制器的周期性动作和调节器的往复开关及流体管道装置、阀门或旋转的机械装置等分流造成,还可因流体系统的几何特征而引起的流体力学振动和多段流而引起。真正的管道定常流仅仅在层流中出现,通常其雷诺数小于2 000,大多数工业管流均有较高的雷诺数,且出现湍流现象,只是一种统计意义上的定常流。脉动流的存在会导致流量计出现计量误差,甚至不能正常工作,其中尤以差压式流量计、涡轮流量计和涡街流量计对其最为敏感。如何校正或减少脉动对流量测量特性的影响,是流量测量中比较重要的课题。本文对最基本的周期性脉动流———按正弦规律变化的脉动流对涡轮流量计的测量误差的影响做了探讨。

　　1　脉动流的特性参数的主要测量方法

　　脉动流无处无时不在,但脉动流的测量却非常困难,我们通常测量出脉动流的主要参数,例如脉动流的幅值、频率和波形,然后通过这些参数分析脉动流可能给流量计造成的影响。通常主要的测量方法有非接触方法和接触方法。非接触方法包括光学法和声学法。光学法主要采用LDA,此技术可测出管轴线处的点速度,并对脉动振幅和波形做出估算。声学方法主要采用Doppler Shift,该技术仅用于液体,其传送器和接受器安装在管道外壁,可根据其测得的瞬时速度剖面精确计算其脉动特性。接触方法主要是热线风速仪法,可用来测量脉动流的点速度,它具有足够的测量频宽,可采用在线计算机显示流速的最大脉动量。

　　2　脉动气体流对涡轮流量计测量误差影响的理论分析

　　涡轮流量计以动量守恒原理为基础,是一种速度式流量仪表。对气体流量而言,如果已知其流动速度v和涡轮流量计转子叶片中心的切线速度vt,则二者之间的关系可由下列非线性微分方程确定。

　　式中:C是一个与仪表常数和流体密度有关的常量;θ为叶片与转子中心轴线之间的夹角,通常取其为45°。式(1)假定涡轮加速所需的旋转力矩由气体脉动流所引起的变化力矩来提供,忽略摩擦。

　　对定常流,vt=v,但是当气体流动速度从它的平均值-v开始发生变化时,涡轮速度与流体速度会出现短暂差异,从而引起流量计出现测量误差。