摘(zhai)要:以(yi)DN50渦輪(lun)流量(liang)計 爲(wei)例，采(cai)用CFD方(fang)法模(mo)拟了(le)方波(bo)和正(zheng)弦波(bo)兩種(zhong)脈動(dong)流在(zai)渦輪(lun)流量(liang)計中(zhong)的流(liu)動。發(fa)現在(zai)不同(tong)波形(xing)、振幅(fu)、頻💋率(lü)下的(de)脈動(dong)流對(dui)渦輪(lun)流🔴量(liang)計的(de)影響(xiang)具有(you)差異(yi)性。各(ge)工況(kuang)🔱下差(cha)異性(xing)的來(lai)源，從(cong)流場(chang)速度(du)和葉(ye)輪所(suo)受剪(jian)切力(li)，分析(xi)渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)不同(tong)工況(kuang)的💋脈(mo)動流(liu)下内(nei)部流(liu)場的(de)變化(hua)。發現(xian)兩種(zhong)脈動(dong)流在(zai)同頻(pin)率同(tong)振🔞幅(fu)的波(bo)峰時(shi)，對比(bi)正弦(xian)波脈(mo)動流(liu)，方波(bo)脈動(dong)流下(xia)葉輪(lun)周圍(wei)的流(liu)場速(su)👉度更(geng)快，葉(ye)輪所(suo)受⁉️到(dao)的剪(jian)切應(ying)力🐆更(geng)大，持(chi)續時(shi)間長(zhang)，力矩(ju)峰值(zhi)更大(da)，這是(shi)造成(cheng)方波(bo)誤差(cha)大的(de)根本(ben)原因(yin)。
0引言(yan)
　　天然(ran)氣作(zuo)爲清(qing)潔高(gao)效的(de)綠色(se)能源(yuan)，已被(bei)廣泛(fan)應用(yong)于🤩人(ren)民📞生(sheng)活和(he)工業(ye)生産(chan)中，天(tian)然氣(qi)的正(zheng)确計(ji)量是(shi)利益(yi)相關(guan)方的(de)關注(zhu)重點(dian)。渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)使用(yong)中具(ju)有精(jing)度高(gao)、重複(fu)性好(hao)、壓損(sun)小等(deng)優點(dian)。但是(shi)，在天(tian)然氣(qi)大流(liu)量管(guan)輸、天(tian)然氣(qi)大流(liu)量檢(jian)定站(zhan)中，由(you)于流(liu)體管(guan)🌏輸變(bian)化、動(dong)力❌機(ji)械旋(xuan)轉、調(diao)節閥(fa)的動(dong)作等(deng)，都可(ke)能産(chan)生脈(mo)動流(liu)，會對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計現(xian)🔞場應(ying)用産(chan)生的(de)測量(liang)誤差(cha)。
　　目前(qian)都聚(ju)焦正(zheng)弦波(bo)脈動(dong)流對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)影響(xiang)，關注(zhu)💯脈動(dong)頻率(lü)和振(zhen)幅，但(dan)是正(zheng)弦波(bo)脈動(dong)流與(yu)實際(ji)脈動(dong)流之(zhi)間存(cun)在較(jiao)㊙️大區(qu)别，爲(wei)了更(geng)好地(di)實現(xian)脈動(dong)💋流修(xiu)正，讨(tao)論和(he)分析(xi)脈動(dong)流影(ying)響渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的關(guan)鍵要(yao)素是(shi)必要(yao)的。
　　爲(wei)了獲(huo)取脈(mo)動流(liu)影響(xiang)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)關鍵(jian)要素(su)，利用(yong)CFD仿真(zhen)🧡，對比(bi)和分(fen)析正(zheng)弦波(bo)以及(ji)方波(bo)脈動(dong)流對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計👅影(ying)響的(de)差異(yi)性📱，從(cong)流場(chang)速度(du)以及(ji)葉輪(lun)所受(shou)剪切(qie)👅力兩(liang)個方(fang)面來(lai)探究(jiu)差👈異(yi)性的(de)來源(yuan)所在(zai)。
1計算(suan)流體(ti)力學(xue)仿真(zhen)方法(fa)
1.1模型(xing)建立(li)及網(wang)格劃(hua)分
　　以(yi)1.5級DN50氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)爲原(yuan)型，并(bing)對其(qi)進行(hang)仿真(zhen)。其内(nei)部基(ji)本結(jie)構參(can)數詳(xiang)見表(biao)1。建立(li)仿真(zhen)模型(xing)，對渦(wo)輪量(liang)計進(jin)行内(nei)部流(liu)場的(de)提取(qu)。前後(hou)直管(guan)段同(tong)軸安(an)裝🧡，前(qian)直管(guan)🍉段長(zhang)爲10D，後(hou)直管(guan)段5D。前(qian)後🏒直(zhi)管段(duan)的網(wang)格尺(chi)寸爲(wei)3mm,葉輪(lun)周圍(wei)的網(wang)格尺(chi)寸爲(wei)1mm，導流(liu)片前(qian)後✍️爲(wei)1mm,葉輪(lun)邊沿(yan)的網(wang)格尺(chi)🥰寸爲(wei)0.2mm,對結(jie)構邊(bian)緣及(ji)狹縫(feng)進行(hang)加密(mi)處理(li)，網格(ge)總數(shu)爲.262萬(wan)。
1.2邊界(jie)條件(jian)
　　入口(kou)采用(yong)速度(du)入口(kou)條件(jian)(Velocit-inlet)，出口(kou)采用(yong)壓力(li)出口(kou)條件(jian)(Pressure-outlet)，選擇(ze)渦輪(lun)流.量(liang)計的(de)分界(jie)流量(liang)點進(jin)行數(shu)值仿(pang)真。該(gai)☂️流量(liang)計的(de)分界(jie).流量(liang)點爲(wei)20m3/h,換算(suan)平均(jun)入口(kou)流速(su)爲2.83m/s。出(chu)❓口壓(ya)力設(she)置爲(wei)0.5MPa。流體(ti)介質(zhi)爲空(kong)氣，密(mi)度爲(wei)1.225kg/m3，動力(li)黏度(du)爲1.79X10-5kg/(m.s)。選(xuan)擇的(de)湍流(liu)模型(xing)爲Realizablek-e模(mo)型。運(yun)動模(mo)型采(cai)用6DOF模(mo)型。
 
 

入(ru)口速(su)度表(biao)達式(shi)如下(xia)所示(shi)：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中(zhong)，V1，,V2-----分别(bie)爲正(zheng)弦波(bo)、方波(bo)速度(du)入口(kou)的瞬(shun)時速(su)度，m/s。
1.3儀(yi)表系(xi)數獲(huo)取方(fang)法及(ji)結果(guo)
　　仿真(zhen)結束(shu)後，在(zai)葉輪(lun)的輪(lun)毂上(shang)取一(yi)個點(dian)P，通過(guo)後處(chu)理☎️軟(ruan)❤️件👅，獲(huo)得葉(ye)輪旋(xuan)轉穩(wen)定後(hou)的平(ping)均線(xian)速度(du)速度(du)vp,通過(guo)公式(shi)(3)可計(ji)算葉(ye)輪的(de)轉速(su)。
 
式中(zhong)。n一葉(ye)輪轉(zhuan)速，單(dan)位:r/s;rp一(yi)點P繞(rao)X軸旋(xuan)轉的(de)半徑(jing)。
　　再由(you)轉速(su)n計算(suan)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)儀表(biao)系數(shu)K。折算(suan)後的(de)儀表(biao)系數(shu)結果(guo)如表(biao)2所示(shi)，脈動(dong)流下(xia)的渦(wo)輪流(liu)量計(ji)存在(zai)着正(zheng)🈲誤差(cha)，相同(tong)振幅(fu)、頻率(lü)下，不(bu)同波(bo)形脈(mo)動流(liu)🐆對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的影(ying)響♋依(yi)然存(cun)在差(cha)異性(xing)。
2流場(chang)速度(du)分布(bu)
　　以5Hz不(bu)同波(bo)形脈(mo)動流(liu)作用(yong)的渦(wo)輪流(liu)量計(ji)流場(chang)對比(bi)分✌️析(xi)📧。圖1所(suo)示爲(wei)方波(bo)脈動(dong)流在(zai)四種(zhong)振幅(fu)下對(dui)應穩(wen)定後(hou)🌈一個(ge)周期(qi)T内葉(ye)輪周(zhou)圍的(de)流場(chang)速度(du)分布(bu)圖，從(cong)左到(dao)右時(shi)間點(dian)依次(ci)爲0T、0.25T、0.5T、0.75T。在(zai)方波(bo)工況(kuang)下，0T、0.25T時(shi)的流(liu)場速(su)度明(ming)顯比(bi)0.5T、0.75T時的(de)流場(chang)速度(du)更快(kuai)，随着(zhe)振幅(fu)✌️的加(jia)大，0T.0.25T時(shi)的流(liu)場速(su)度增(zeng)大，而(er)0.5T.0.75T時的(de)流場(chang)速度(du)則減(jian)慢。
　　對(dui)比兩(liang)種波(bo)形的(de)速度(du)分布(bu)圖，同(tong)振幅(fu)下的(de)波峰(feng)時，方(fang)👄波工(gong)況下(xia)🙇🏻流場(chang)速度(du)略大(da)于正(zheng)弦波(bo)工況(kuang)，且方(fang)波的(de)高流(liu)速持(chi)續時(shi)間比(bi)正💜弦(xian)波的(de)高流(liu)速持(chi)續時(shi)間長(zhang)。
 
3葉輪(lun)剪切(qie)應力(li)分布(bu)
　　圖3~圖(tu)4分别(bie)是5Hz時(shi)方波(bo)、正弦(xian)波脈(mo)動流(liu)下葉(ye)輪，所(suo)受力(li)矩。除(chu)了流(liu)量突(tu)變點(dian)外，葉(ye)輪所(suo)受力(li)矩與(yu)流量(liang)波形(xing)近似(si)。
　　以5Hz不(bu)同波(bo)形脈(mo)動流(liu)作用(yong)的渦(wo)輪流(liu)量計(ji)葉輪(lun)所受(shou)🈲剪切(qie)力對(dui)👨‍❤️‍👨比分(fen)析。方(fang)波脈(mo)動流(liu)在四(si)種振(zhen)幅下(xia)穩定(ding)後一(yi)個周(zhou)期T内(nei)，分析(xi)葉輪(lun)所受(shou)到的(de)剪切(qie)應力(li)分布(bu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。葉輪(lun)的☂️剪(jian)切應(ying)力在(zai)0T、0.25T達到(dao)最大(da)🌈，随着(zhe)振幅(fu)增大(da)而增(zeng)🔆大;在(zai)0.5T、0.75T時達(da)🈲到最(zui)小，随(sui)着振(zhen)幅的(de)增大(da)而減(jian)小。正(zheng)弦波(bo)脈動(dong)流在(zai)四種(zhong)振幅(fu)下穩(wen)定後(hou)一個(ge)周期(qi)T内，分(fen)析葉(ye)🌍輪所(suo)受到(dao)的剪(jian)切應(ying)力分(fen)布。在(zai)0T、0.5T時，葉(ye)輪所(suo)受應(ying)力幾(ji)🥰乎不(bu)随振(zhen)幅變(bian)化，在(zai)0.25T時即(ji)在波(bo)峰時(shi)的應(ying)力随(sui)着振(zhen)幅加(jia)大而(er)增加(jia),在0.75T時(shi)随着(zhe)振幅(fu)增大(da)而減(jian)小。
4總(zong)結與(yu)讨論(lun)
　　對口(kou)徑爲(wei)DN50的氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)仿真(zhen)建模(mo)，進行(hang)了一(yi)系列(lie)仿真(zhen)🔅實驗(yan)，以入(ru)口脈(mo)動流(liu)的波(bo)形、頻(pin)率、振(zhen)幅爲(wei)變量(liang)條件(jian)，完成(cheng)了相(xiang)關仿(pang)真實(shi)驗。通(tong)過仿(pang)真數(shu)據分(fen)析可(ke)知:
(1)脈(mo)動流(liu)作用(yong)下，渦(wo)輪流(liu)量計(ji)會出(chu)現正(zheng)誤差(cha)。由流(liu)場速(su)度分(fen)🏃‍♀️布、剪(jian)切應(ying)力分(fen)布及(ji)葉輪(lun)所受(shou)到的(de)力矩(ju)可以(yi)看出(chu)，葉輪(lun)轉💋速(su)相對(dui)穩定(ding)後，脈(mo)動作(zuo)用過(guo)程中(zhong)葉輪(lun)加速(su)和減(jian)速時(shi)間幾(ji)乎相(xiang)同，而(er)相同(tong)流量(liang)的脈(mo)動流(liu)下的(de)葉輪(lun)轉速(su)比定(ding)常流(liu)下的(de)高，表(biao)明加(jia)速過(guo)程響(xiang)應更(geng)快。即(ji)😘葉輪(lun)在加(jia)速過(guo)程中(zhong)更爲(wei)敏感(gan)，在相(xiang)同流(liu)量升(sheng)降情(qing)況下(xia)，流體(ti)流速(su)上升(sheng)時，葉(ye)輪轉(zhuan)速立(li)馬上(shang)升，而(er)流速(su)下降(jiang)時，葉(ye)輪轉(zhuan)速下(xia)降🌂較(jiao)緩慢(man)或者(zhe)延遲(chi)下降(jiang)，從而(er)使得(de)脈動(dong)流下(xia)葉輪(lun)轉速(su)高于(yu)定常(chang)流下(xia)的葉(ye)輪轉(zhuan)速，始(shi)終産(chan)🌍生正(zheng)誤🏃‍♀️差(cha)。

 
(2)相同(tong)頻率(lü)振幅(fu)下，不(bu)同波(bo)形的(de)脈動(dong)流産(chan)生的(de)誤差(cha)大✉️小(xiao)不同(tong)。方📱波(bo)脈動(dong)流對(dui)應的(de)誤差(cha)最大(da)，其次(ci)是正(zheng)弦波(bo)✊。通過(guo)速度(du)分布(bu)圖可(ke)💰以看(kan)出，在(zai)相同(tong)頻率(lü)振幅(fu)的波(bo)峰時(shi)，方波(bo)🚩脈動(dong)流下(xia)葉輪(lun)周圍(wei)的🤞流(liu)場速(su)度和(he)應力(li)都要(yao)比其(qi)他兩(liang)種波(bo)形的(de)脈動(dong)流更(geng)大。在(zai)方波(bo)作用(yong)下，一(yi)個周(zhou)期内(nei)葉輪(lun)被加(jia)速的(de)時間(jian)更長(zhang)，導緻(zhi)♊了相(xiang)同頻(pin)率振(zhen)✌️幅下(xia)，方波(bo)工況(kuang)👄下葉(ye)輪轉(zhuan)速比(bi)正弦(xian)☔波轉(zhuan)速更(geng)高。正(zheng)弦波(bo)脈動(dong)下，葉(ye)輪轉(zhuan)🔅速是(shi)漸變(bian)的，從(cong)而相(xiang)比方(fang)波脈(mo)動的(de)❗轉速(su)略低(di)。
(3)在方(fang)波脈(mo)動流(liu)工況(kuang)下，葉(ye)輪受(shou)的到(dao)沖擊(ji)力更(geng)強，使(shi)葉📧輪(lun)有遭(zao)受物(wu)理破(po)壞的(de)可能(neng)性。針(zhen)對脈(mo)動流(liu)對渦(wo)輪流(liu)量計(ji)⭐的影(ying)響，應(ying)該還(hai)‼️是盡(jin)量從(cong)振源(yuan)避免(mian)脈動(dong)流;在(zai)不能(neng)避免(mian)‼️脈動(dong)流時(shi)，應遠(yuan)離振(zhen)源，或(huo)者是(shi)增加(jia)流動(dong)調整(zheng)器，降(jiang)低脈(mo)動頻(pin)率、振(zhen)幅，盡(jin)量消(xiao)除類(lei)似脈(mo)動突(tu)增，保(bao)護😄渦(wo)輪流(liu)量計(ji)、控制(zhi)測量(liang)誤差(cha);智能(neng)渦輪(lun)流量(liang)計，可(ke)以考(kao)慮在(zai)流量(liang)計的(de)積算(suan)模塊(kuai)增加(jia)脈動(dong)流修(xiu)正公(gong)❓式，實(shi)現對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計脈(mo)動流(liu)誤差(cha)的修(xiu)🌐正補(bu)償，保(bao)障流(liu)量計(ji)✏️在有(you)脈動(dong)流工(gong)況下(xia)👅的測(ce)量精(jing)度。

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