摘要(yào):以DN50渦輪流量計(ji) 爲例，采用CFD方法(fǎ)模拟了方波和(hé)正弦波兩種脈(mo)動流在渦輪流(liu)量計中的流動(dong)。發現在不同波(bō)形、振幅、頻率下(xia)的脈動流對渦(wō)輪流量計的影(yǐng)響具有差異性(xing)。各工況下差異(yì)❌性的來❗源，從流(liu)場速度和葉輪(lun)所受剪切力，分(fen)析渦輪流量計(ji)在不同工況的(de)脈動流下内部(bu)流場的變化。發(fā)現兩種脈動流(liú)在同頻率同振(zhen)幅的波峰時🐇，對(dui)🍉比正弦波脈動(dòng)流，方波脈動流(liú)下葉輪周圍的(de)流場速度更快(kuai)，葉輪所受到的(de)剪切應力🐆更大(dà)，持續時間長，力(li)😍矩峰值更大，這(zhè)是造成方波誤(wù)‼️差大的根本原(yuan)因。
0引言
　　天然氣(qì)作爲清潔高效(xiao)的綠色能源，已(yi)被廣泛應用于(yú)人民生活和工(gōng)業生産中，天然(ran)氣的正确計量(liang)是☂️利益相關方(fang)的關注重點。渦(wo)輪流量計在使(shǐ)用中具有精度(du)高、重複性好、壓(yā)損小等👅優點。但(dan)是，在天然氣大(dà)流量管輸、天然(ran)氣😍大流量檢📞定(ding)站中，由于流體(ti)管輸變化、動力(li)機械旋轉、調節(jiē)閥的動作等，都(dōu)可能産生脈動(dòng)流，會對渦輪流(liu)量計現場應用(yòng)産生的測量誤(wu)差。
　　目前都聚焦(jiao)正弦波脈動流(liú)對渦輪流量計(jì)的影響，關注🌐脈(mò)動頻率和振幅(fu)，但是正弦波脈(mo)動流與實際脈(mò)動🆚流之間存在(zai)較大區别，爲了(le)更好地實現脈(mo)動流修正，讨論(lùn)和🏃‍♀️分析脈🍓動流(liú)影響渦輪流量(liàng)計的關鍵要素(sù)是必要的。
　　爲了(le)獲取脈動流影(yǐng)響渦輪流量計(jì)的關鍵要素，利(lì)用CFD仿真，對比和(hé)分析正弦波以(yi)及方波脈動流(liú)對渦輪流量計(jì)影響🌏的差異性(xing)，從流場速度以(yi)及葉輪所受剪(jiǎn)切力兩個方面(miàn)來探究差異性(xìng)的來源所在。
1計(jì)算流體力學仿(páng)真方法
1.1模型建(jian)立及網格劃分(fèn)
　　以1.5級DN50氣體渦輪(lun)流量計爲原型(xíng)，并對其進行仿(pang)真。其内部基本(ben)結構參數詳見(jian)表1。建立仿真模(mó)型，對渦輪量計(ji)進行内部🛀🏻流場(chang)的提取。前後直(zhí)管段同軸安裝(zhuāng)，前直管❌段長爲(wèi)10D，後直管段5D。前後(hou)直管段的網格(gé)尺寸爲3mm,葉輪周(zhou)圍的網格尺寸(cùn)爲1mm，導流片前後(hou)爲1mm,葉輪邊沿的(de)網格尺寸爲0.2mm,對(duì)結構邊緣及狹(xiá)縫進行加密處(chu)❤️理，網格總數爲(wèi)🤟.262萬。
1.2邊界條件
　　入(ru)口采用速度入(ru)口條件(Velocit-inlet)，出口采(cǎi)用壓力出口條(tiao)件(Pressure-outlet)，選擇渦輪流(liu)🧡.量計的分界流(liu)量點進行數值(zhí)仿真。該流量計(ji)的分界.流量點(dian)爲20m3/h,換算平均入(rù)口流速爲2.83m/s。出口(kou)壓力設置爲0.5MPa。流(liú)體介質爲空氣(qi)，密度爲1.225kg/m3，動力黏(nián)度爲1.79X10-5kg/(m.s)。選擇的湍(tuān)流模型爲Realizablek-e模型(xíng)。運動模型采用(yong)6DOF模型。
 
 

入口速度(du)表達式如下所(suo)示：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中，V1，,V2-----分别爲(wèi)正弦波、方波速(sù)度入口的瞬時(shi)速度，m/s。
1.3儀表系數(shù)獲取方法及結(jié)果
　　仿真結束後(hòu)，在葉輪的輪毂(gu)上取一個點P，通(tōng)過後處理🈚軟件(jiàn)，獲得葉輪旋轉(zhuan)穩定後的平均(jun1)線速度速度💋vp,通(tōng)過公式📐(3)可計算(suan)葉輪的轉速。
 
式(shì)中。n一葉輪轉速(su)，單位:r/s;rp一點P繞X軸(zhóu)旋轉的半徑。
　　再(zài)由轉速n計算渦(wō)輪流量計的儀(yí)表系數K。折算後(hou)的儀表系數結(jié)果如表2所示，脈(mo)動流下的渦輪(lún)流量計存在着(zhe)正誤差，相同振(zhen)幅、頻率下，不同(tóng)波形脈動流✌️對(dui)渦輪🈲流量計的(de)影響依然存🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在(zai)差異性。
2流場速(sù)度分布
　　以5Hz不同(tong)波形脈動流作(zuò)用的渦輪流量(liang)計流場對比💔分(fèn)⛷️析。圖1所示爲方(fāng)波脈動流在四(sì)種振幅下對應(yīng)穩定後一個周(zhou)期🌈T内葉輪周圍(wéi)的流場速度分(fèn)布圖，從左到右(you)時間點依次爲(wèi)🔞0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波工況下(xia)，0T、0.25T時的流場速度(du)明顯比0.5T、0.75T時的流(liu)場速度更快，随(suí)着振幅的加大(da)，0T.0.25T時的流場速度(dù)🈲增大，而0.5T.0.75T時的流(liu)場速度則⭐減慢(màn)。
　　對比兩種波形(xíng)的速度分布圖(tu)，同振幅下的波(bō)峰時，方波工況(kuàng)下流場速度略(lue)大于正弦波工(gōng)況，且方波的高(gāo)流速持續⛱️時間(jiān)比正弦波的高(gāo)流速持續時間(jian)長。
 
3葉輪剪切應(ying)力分布
　　圖3~圖4分(fèn)别是5Hz時方波、正(zheng)弦波脈動流下(xià)葉輪，所受力矩(ju)。除🏒了流量突變(biàn)點外，葉輪所受(shou)力矩與流量波(bo)形近似。
　　以5Hz不同(tong)波形脈動流作(zuo)用的渦輪流量(liang)計葉輪所受剪(jiǎn)💘切力對比分析(xi)。方波脈動流在(zai)四種振幅下穩(wěn)定💃🏻後一個周👄期(qī)T内，分析葉輪所(suo)受到的剪切應(ying)力分布。葉輪的(de)剪切應力在0T、0.25T達(dá)到最大，随着振(zhen)幅增大而增大(da);在0.5T、0.75T時達到最小(xiǎo)，随着振幅的增(zeng)大而減🌈小。正弦(xian)波👄脈動流在四(si)種振幅下穩定(ding)後一個周期T内(nèi)，分析葉👄輪所受(shòu)到的剪切應力(lì)分布。在0T、0.5T時，葉輪(lun)所受應力幾乎(hū)不随振幅變化(hua)，在0.25T時即在波峰(fēng)時的應力随着(zhe)振🚶幅加大而增(zeng)加,在0.75T時🥰随着振(zhen)幅增大而減小(xiǎo)。
4總結與讨論
　　對(duì)口徑爲DN50的氣體(tǐ)渦輪流量計仿(pang)真建模，進行了(le)一系列仿真實(shi)驗，以入口脈動(dong)流的波形、頻率(lǜ)、振幅爲變量條(tiao)件，完成了相關(guan)仿真實驗。通過(guo)仿真數據分析(xi)可知🙇‍♀️:
(1)脈動流作(zuo)用下，渦輪流量(liàng)計會出現正誤(wù)差。由流場速度(du)分🆚布、剪切應力(li)分布及葉輪所(suǒ)受到的力矩可(kě)以看🔞出，葉👌輪轉(zhuan)速相對穩☔定後(hòu)，脈動作用過程(cheng)中葉輪加速和(hé)減速時間幾乎(hū)相同，而相同流(liu)量的脈動💔流下(xia)的葉輪轉速比(bi)定常流下⭐的高(gao)，表明加速過程(cheng)響應更快。即葉(yè)輪在加速過程(chéng)中更爲敏感，在(zai)相同流量升降(jiang)情況📧下，流體流(liu)速上升時，葉輪(lun)轉速立馬上升(shēng)，而流速下降時(shí)，葉輪轉速下降(jiang)較緩慢或者延(yán)⭐遲下降，從而使(shǐ)得脈動流下葉(ye)輪轉速高于定(dìng)常流😄下的葉輪(lun)轉速，始終産生(shēng)正誤☎️差。

 
(2)相同頻(pin)率振幅下，不同(tong)波形的脈動流(liú)産生的誤差大(da)✌️小不🤞同。方波脈(mo)動流對應的誤(wù)差最大，其次是(shi)正弦波☔。通過速(sù)度分布🤞圖可以(yi)看出，在相同頻(pin)率振幅的波峰(fēng)🚶‍♀️時，方波脈動流(liú)下葉輪周圍的(de)流場速度和應(yīng)力都要比其他(ta)兩⛷️種波形的脈(mo)動流更大。在方(fang)波作用下，一個(ge)周期内葉輪被(bei)加速的時間更(gèng)長，導緻了相同(tong)頻率🐅振幅下，方(fang)波工況下葉輪(lún)轉速比正弦波(bo)轉速更🏃‍♂️高。正弦(xián)波脈動下，葉輪(lun)轉速是漸變的(de)，從✊而相比方波(bō)脈動的轉速略(luè)低。
(3)在方波脈動(dong)流工況下，葉輪(lún)受的到沖擊力(lì)更強，使葉輪有(yǒu)遭受物理破壞(huai)的可能性。針對(dui)脈動流對渦輪(lun)流量計的影響(xiang)，應該還是盡量(liang)從振源避免脈(mo)動流;在不能避(bì)免脈動流時，應(yīng)遠🚶離振源，或者(zhe)是增加流動調(diào)整🌈器，降低脈動(dòng)頻率、振幅，盡量(liàng)消除類似脈動(dòng)突增，保護渦輪(lun)流量計🤩、控制測(ce)量誤差;智能渦(wo)輪流量計，可以(yǐ)考慮在流量計(jì)的積算模塊增(zēng)加脈動流修正(zhèng)公式，實現對渦(wo)輪流量計脈動(dòng)流誤差的修正(zhèng)補償，保障流量(liàng)計在有脈動流(liú)工況下的測量(liàng)精度。

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