Page 66 - 《真空与低温》2025年第5期

刘 冰等：大口径 LNG 科氏质量流量计模态分析 605

thickness，the higher the natural frequency.By analyzing and comparing the calculation results of the dry and wet modes，it is
discovered that under the influence of the fluid added mass effect on the modal characteristics of the measurement tube，the
natural frequency of the wet mode is significantly lower than that of the dry mode.However，due to the low density effect and
low-temperature effect of LNG，the corresponding reduction in the natural frequency is less than that when water is the work-
ing medium.At this point，the measurement accuracy of the flowmeter can be enhanced by adjusting the shape of the mea-
surement tube and the pipeline arrangement，actively altering the natural frequency and phase information of the measure-
ment tube to obtain an appropriate excitation frequency，reduce environmental interference，and thereby achieve efficient res-
onance.In the resonant state,the measurement tube can generate a larger amplitude,facilitating signal collection and process-
ing.This research provides certain technical support for the structural design and accuracy improvement of large-flow-rate
LNG Coriolis mass flowmeters.
Key words：liquefied natural gas；fluid-structure interaction；modal analysis；coriolis mass flowmeter

0 引言 计的测量精度。
（2）在科氏质量流量计使用过程中，现场环境
随着国内 LNG 接收站和液化站的迅速发展，
的振动与噪声等干扰因素会对测量信号的精度造
低温测量仪表的选型和应用已经成为天然气行业
成影响。因此需要对流量计的结构进行深入的模
面临的重要挑战。目前，我国在低温测量仪表领域
态分析，准确识别潜在的振动干扰源，并据此对测
与国际先进水平存在技术差距，尤其是在低温测量
仪表的精度方面。长期以来，深冷高压大流量液化 量管的结构参数进行合理调整，从而改变固有频率，
天然气测量技术，是国产低温测量仪表制造产业的 有效规避环境干扰，显著降低测量误差。
难点之一。 （3）模态分析在测量系统中传感器匹配设计方
科氏质量流量计基于科里奥利效应原理：流体 面也发挥着关键作用。激振传感器、检测传感器
在振动管道内运动时产生的科里奥利力与质量流 以及配套变送器的工作性能与测量管固有频率的
量成正比，通过检测相位差实现流量测量。相较于 大小密切相关。因此，在匹配设计过程中，预先通
其他质量流量计，科氏流量计具有独特的优势：理 过模态分析确定合适的激振频率，以确保数据采集
论上，科氏质量流量计不受流体黏度变化、密度波 的准确性、提升信号传递的效率。
动等物理特性的干扰，具有更高的测量精确度。结 为了进一步提升科氏质量流量计性能稳定性，
构上，科氏流量计结构简洁，流体通过时的压力损 工业界与学术界持续聚焦于测量管的模态特性研
究。Sultan 等 针对 U 型科氏质量流量计，基于振
[3]
失极低，且内部不含易损的可动部件，这使其具有
动梁理论，搭建了数值模型，并计算其基本模态及
较高的使用寿命和较低的维护成本。此外，其具有
两个自然振动模态下的测量管形变状态。将两个
广泛的适用性，允许测量包括 LNG 在内的多种介
振动点间相对相位的预测值与以水和煤油为工质
质，同时能够提供体积流量、流体密度等多重参数
的实验数据进行了对比。Wang 等 [4-5] 使用仿真软
信息。因此，科氏流量计在市场上获得快速发展，
件，基于流固耦合理论和有限元方法，采用梁单元
尤其在需要高精度、多参数测量的工业应用中，其
和管壁壳单元针对测量管进行建模，以研究测量管
[1]
已成为不可或缺的首选工具 。
的模态特性，发现将模态频率和相位差纳入考虑后，
科氏质量流量计的固有振动特性可通过模态
才能充分模拟出流量计的模态行为，拉伸预应力能
进行表征，不同阶模态蕴含着独特的模态参数如固
够提高科氏质量流量计的稳定性。Raszillier 等 将
[6]
有频率、阻尼比和模态振型等，通过模态分析能够 直管科里奥利质量流量计建模为欧拉梁，并将管内
准确获得这些参数 。在对科氏质量流量计进行 的流体视为移动的弦。分析流体在管道内静止和
[2]
设计之前，模态分析的重要性具体体现在以下几个 流动两种状态下的模态振型，并深入探讨控制微分
方面： 方程中科里奥利力和离心力项的重要性。仝猛 [7]
（1）科氏质量流量计的核心元件是测量管，通 以单直管型科氏质量流量计为主要研究对象，以理
过模态分析得到测量管的各阶振型，可以精确选择 论分析、数值计算和仿真为主要研究方法，研究科
共振模态振型相匹配的激振频率，实现激振频率与 氏质量流量计的力学模型，影响测量精度的因素包
测量管固有特性的最优匹配，以提高科氏质量流量 括测量管的支撑类型与刚度、工质压力、附加质量