摘要(yao):以DN50渦輪流量計(jì) 爲例，采用CFD方法(fa)模拟了方波和(he)正弦波兩種脈(mò)動流在渦輪流(liu)量計中的流動(dòng)。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(ying)響具有差異性(xing)。各工況下差異(yi)性的來源，從流(liú)場速度和葉輪(lún)所受剪切力，分(fèn)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(dong)流，方波脈動流(liu)㊙️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(da)，持續時間長，力(lì)矩峰值更大，這(zhè)是🐅造成方波誤(wu)差大的根本原(yuán)因。
0引言
　　天然氣(qì)作爲清潔高效(xiao)的綠色能源，已(yǐ)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(fāng)的關注重點。渦(wo)輪流量計在使(shǐ)用中具📐有精度(dù)高、重複性好、壓(yā)損小等優點。但(dàn)是，在天然氣🈲大(dà)流量管輸、天然(rán)氣大流量檢定(dìng)站中，由于流體(tǐ)管輸變化、動力(lì)機械旋轉、調‼️節(jiē)閥的動作等，都(dou)可能産生脈動(dòng)流，會❗對渦輪流(liú)量計現場應用(yong)産生的測量誤(wu)差。
　　目前都聚焦(jiao)正弦波脈動流(liu)對渦輪流量計(ji)的影響，關注脈(mò)動頻率和振幅(fu)，但是正弦波脈(mò)動流與實際脈(mò)動流之🔞間存在(zài)較大區别，爲了(le)更好地實現脈(mò)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(ying)響渦輪流量計(ji)的關鍵要素，利(lì)用CFD仿真，對比和(hé)分析正弦波以(yǐ)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(xing)的🌈來源所在。
1計(ji)算流體力學仿(pang)真方法
1.1模型建(jiàn)立及網格劃分(fèn)
　　以1.5級DN50氣體渦輪(lún)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(chǎng)的提取。前後直(zhí)管段同軸安裝(zhuang)，前直管🏃段長爲(wèi)10D，後直管段5D。前後(hòu)直管段的網格(ge)尺寸爲3mm,葉輪周(zhōu)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(dui)結構邊緣及狹(xiá)縫進行加密處(chù)理，網格總數爲(wei).262萬。
1.2邊界條件
　　入(ru)口采用速度入(rù)口條件(Velocit-inlet)，出口采(cǎi)用壓力出口條(tiao)件✉️(Pressure-outlet)，選擇渦輪流(liú).量計的分界流(liu)量點進行數值(zhi)仿真。該流量計(ji)的分界㊙️.流量👨‍❤️‍👨點(diǎn)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(liu)體介質爲空氣(qì)，密度爲1.225kg/m3，動力黏(nian)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(suǒ)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(su)度入口的瞬時(shi)速度，m/s。
1.3儀表系數(shu)獲取方法及結(jie)果
　　仿真結束後(hou)，在葉輪的輪毂(gu)上取一個點P，通(tong)過後處理軟件(jian)🔴，獲得葉輪旋轉(zhuǎn)穩定後的平均(jun1)線速度速度♊vp,通(tōng)過公式(3)可計算(suàn)葉輪的轉速。
 
式(shi)中。n一葉輪轉速(su)，單位:r/s;rp一點P繞X軸(zhou)旋轉的半徑。
　　再(zài)由轉速n計算渦(wō)輪流量計的儀(yi)表系數K。折算後(hou)的👉儀表✍️系數結(jié)果如表2所示，脈(mò)動流下的渦輪(lun)流量計存在着(zhe)正㊙️誤差🏃🏻‍♂️，相同振(zhèn)幅、頻率下，不同(tóng)波形脈動流♌對(duì)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(tóng)波形脈動流作(zuo)用的渦輪流量(liàng)計流場對比分(fèn)析。圖1所示爲方(fāng)波脈動流在四(si)種振幅下對應(yīng)穩✏️定後一個周(zhōu)期T内葉🧑🏾‍🤝‍🧑🏼輪周圍(wei)的流場速度分(fen)布圖，從左到右(you)時間點🌈依次爲(wei)0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波工況下(xia)，0T、0.25T時的流場速度(dù)明顯比0.5T、0.75T時的流(liú)場速度更快，随(suí)着振幅的加大(dà)，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(man)。
　　對比兩種波形(xíng)的速度分布圖(tú)，同振幅下的波(bo)峰時，方波工♉況(kuang)🔴下流場速度略(luè)大于正弦波工(gong)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(yīng)力分布
　　圖3~圖4分(fen)别是5Hz時方波、正(zheng)弦波脈動流下(xia)葉輪，所受力矩(ju)。除了流🌈量突變(bian)點外，葉輪所受(shou)力矩與流量波(bō)形近似。
　　以5Hz不同(tong)波形脈動流作(zuò)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(zài)四種振幅下穩(wen)定後一個周期(qī)T内，分析葉輪所(suǒ)受到的剪切應(yīng)力分布。葉輪的(de)剪切應力在0T、0.25T達(da)💛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(xián)波♋脈動流在四(si)種振幅下穩定(dìng)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(lún)所受應力幾乎(hu)不随振幅變化(hua)，在0.25T時即⭐在波峰(feng)時的應力随着(zhe)振幅加大而增(zeng)加,在0.75T時随着振(zhèn)幅增大而減小(xiao)。
4總結與讨論
　　對(dui)口徑爲DN50的氣體(ti)渦輪流量計仿(páng)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(guān)仿真實驗。通過(guò)仿真數據分析(xi)可知:
(1)脈動流作(zuò)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(zhuǎn)速相對穩定後(hou)，脈動作用過程(chéng)中葉輪加速和(hé)減速時間幾🔞乎(hū)相同😘，而相同🐕流(liú)量的脈動流下(xia)的葉輪轉速比(bǐ)定常流下💁的高(gāo)，表明加速過程(cheng)響應更快。即葉(ye)輪在加速過程(cheng)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(lún)轉速立馬🔅上升(shēng)，而流速下降時(shí)，葉輪轉速下降(jiàng)較緩慢或者延(yán)遲下降，從而使(shi)得脈💁動流下葉(yè)輪轉速高于定(ding)常流下的葉輪(lun)轉速，始終産生(shēng)正誤差。

 
(2)相同頻(pín)率振幅下，不同(tong)波形的脈動流(liu)産生的誤差大(dà)小不同。方波脈(mò)動流對應的誤(wu)差最大，其次是(shì)正👉弦波。通過速(su)度分布圖可以(yi)看出，在相同頻(pin)率振幅的波峰(feng)時，方波脈動流(liú)下葉輪周圍的(de)流場速度和應(ying)力都要比其他(ta)兩種波形的☁️脈(mò)動流更大。在方(fāng)波🤟作用下，一個(gè)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(fāng)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(lue)低。
(3)在方波脈動(dong)流工況下，葉輪(lun)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(mò)動流;在不能避(bì)免脈動流時，應(ying)遠離振源，或者(zhe)是增加流動調(diào)整器，降低脈動(dong)頻率、振幅，盡量(liàng)消除類似脈❓動(dong)突增，保護渦輪(lún)流量計、控制測(cè)量誤差;智能渦(wō)輪流量計，可以(yǐ)考慮在流量計(jì)的積算模塊增(zeng)加脈動流修正(zheng)公式，實現對渦(wō)輪流量計脈動(dòng)流誤差的修正(zhèng)補償，保障流量(liang)計㊙️在有脈動流(liu)工況下的測量(liàng)精度。

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