Page 67 - 《真空与低温》2025年第5期

606 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

及位置。Vetter 等 [8] 针对双 U 型测量管在单频及 不足，尤其关于液化天然气科氏质量流量计的研究
多频脉动流条件下的科氏质量流量计测量性能进 更为缺乏。
行了深入研究。通过详细分析流量脉动对测量精 因此，本文围绕液化天然气行业对大流量科氏
度的影响，揭示了当单频脉动流的频率与测量管的 质量流量计的实际需求，通过建立流固耦合模型，
共振扭转频率相匹配时，即便激励幅值相对较小， 对科氏质量流量计测量管的模态特性展开细致分
也会导致显著的测量误差产生。这一发现强调在 析，研究测量管的结构特性与工质物性对科氏质量
脉动流条件下，科氏质量流量计的测量性能可能会 流量计固有频率的影响，从而明确测量管类型和几
受到显著影响，特别是在流量脉动频率接近测量管 何参数设计。
[9]
共振频率时。Kutin 等 针对直管型科氏质量流量
1 测量管模型构建
计展开了深入研究，依托欧拉梁理论与一维流体流
动理论。全面考虑了轴力、附加质量、阻尼以及激 1.1 研究对象
励等多种因素对测量性能的影响，并据此构建了相 鉴于德国科隆公司 OPTIMASS 2400 流量计在
应的数学模型。研究结果显示，检测器与激振器的 市场上的广泛应用与显著优势，选取其核心的直管
质量会对密度和质量流量的测量结果产生干扰。 型测量管作为研究对象。基于测量管的几何特征
阻尼因素对测量特性的影响并不显著，轴力对测量 与工作原理，构建流固耦合模型，旨在进一步探索
管的测量灵敏度具有不可忽视的影响。Zhou 等 [10] 科里奥利质量流量计在 LNG 大口径测量领域的应
建立流量计的全尺寸数值模型，涵盖支撑管和法兰， 用潜力与优化方向。
并对振动特性进行研究，同时进行双 U 型管科氏 为了厘清测量管内部结构对测量的影响，本文
流量计的振动分析与实验测试，以研究科氏质量流 结合 OPTIMASS 2400 流量计所采用的双直管或四
量计的驱动频率与外部驱动频率之间的关系。结 直管的设计结构进行建模。 图 1 分别展示了不同
果表明，科氏流量计的性能随安装条件的不同而发 排布下测量管的结构型式，包括单直管型、双直管
生变化。同时，外部振动信号对流量计的操作产生 型、四直管型和六直管型。
干扰，尤其在现场操作过程中，可能影响流量计的
1.2 数值模型
测量精度。余潋滟等 [11] 建立考虑温度影响的数学
模态分析是将结构的振动方程变换为以模态
模型，基于该模型，进一步考虑测量管固体物性参
为坐标的方程，解出模态参数 。采用有限元方法
[14]
数随温度变化的影响，研究得出温度对科里奥利质
求解时 ，科氏质量流量计描述为由多自由度弹性
[15]
量流量计测量精度的影响规律。针对低温环境下
振动系统组成的结构，其运动方程一般写成：
的测量误差，提出一种改进的低温修正方法，该方
法考虑弹性模量、泊松比和线膨胀系数等物性参 [M]{¨x}+[C]{˙x}+[K]{x} = {F (t)} （1）
、
、
式中： [M] [C] [K]为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度
数的温度依赖性，为提高流量计在低温条件下的精
、
、
度提供有效修正手段。裴祥翔等 [12] 基于计算流体 矩阵； {¨x} {˙x} {x}为加速度矩阵、速度矩阵、位移
动力学和结构动力学相耦合的数值算法，对比分析 矩阵；t 为时间； {F (t)}为激振力矩阵。
水和液氢两种工质对科氏流量计模态特性的影响。 在计算无阻尼自由振动条件下的科氏质量流
结果发现流体的附加质量降低结构的固有频率，选 量计测量管的模态时，计算结构的固有频率和振动
取以结构干模态频率驱动测量管，依然可以获得较 型式简化为求解式的特征值与特征向量，简化后的
大的振动幅值。Vesaghati 等 [13] 以双直管型科氏质 方程如下：
量流量计为研究对象，通过建立数学模型，对结构 [M]{¨x}+[K]{x} = 0 （2）
进行了自由振动分析，包括提取双管的固有频率以 其运动方程的通解对应的形式为：
及对称和反对称模态。研究结果表明，当平移刚度
x(t) = ϕsin(ωt +φ) （3）
较小时，相位差趋近于零；而当旋转刚度趋近于零
将式（3）代入式（2），进行化简可得
时，相位差则趋近于一个有限的非零值。在特定的
( 2 ) （4）
平移刚度和旋转刚度下，相位差达到最大值。 [K]−ω [M] {ϕ} = 0
综上所述，当前科氏质量流量计的模态分析工 式（4）中，若 {ϕ}为 0，则物体处于静止状态；若
作主要聚焦于小口径与常温介质的探讨。然而，针 {ϕ}不为 0，则物体处于振动状态，则有：
( 2 )
对低温大口径科氏质量流量计的结构设计，尚存在 [K]−ω [M] = 0 （5）