摘要:以DN50渦(wo)輪流量計(jì) 爲例，采用(yong)CFD方法模拟(nǐ)了方波和(hé)正弦波兩(liǎng)種脈動流(liú)在渦輪流(liu)🤩量計中的(de)流動。發現(xiàn)在不同波(bo)形、振幅、頻(pín)率下的脈(mo)動流🌈對渦(wō)輪流量計(jì)的影響具(ju)有差異性(xìng)。各工況下(xia)差異性的(de)來源，從流(liú)場速度❗和(hé)葉輪所受(shòu)剪切力，分(fen)析渦輪流(liu)量計在不(bú)同工況的(de)脈動流下(xia)内部流場(chǎng)的變化。發(fa)現兩種脈(mo)動流在同(tong)頻率同振(zhèn)幅的波峰(feng)時🌈，對比正(zheng)弦波脈動(dong)流，方波脈(mo)動流下葉(ye)㊙️輪周圍的(de)流場速☁️度(du)更快，葉輪(lún)所受到的(de)剪切應力(lì)更大，持續(xù)時間長，力(li)矩峰值更(geng)大，這是造(zao)成方波誤(wù)❓差大的根(gēn)本原因。
0引(yin)言
　　天然氣(qì)作爲清潔(jie)高效的綠(lü)色能源，已(yǐ)被廣泛應(yīng)用于人🤟民(min)生活和工(gong)業生産中(zhong)，天然氣的(de)正确計量(liàng)是利益相(xiàng)關方的關(guān)注重點。渦(wo)輪流量計(jì)在使用中(zhōng)具💯有精度(dù)高、重複性(xìng)好、壓損小(xiao)等優點。但(dàn)是，在天然(rán)氣大流量(liàng)管輸、天然(ran)氣大流量(liang)檢定站中(zhong)，由😘于流體(tǐ)管輸變化(huà)、動力機械(xie)旋轉、調節(jie)閥的動作(zuo)等，都可能(néng)産✌️生脈動(dòng)流，會對渦(wo)輪流量計(jì)現場應用(yong)産生的🌈測(cè)量誤差。
　　目(mù)前都聚焦(jiāo)正弦波脈(mò)動流對渦(wō)輪流量計(jì)的影響，關(guān)注脈㊙️動🐪頻(pín)🔆率和振幅(fu)，但是正弦(xian)波脈動流(liú)與實際脈(mò)動流之⚽間(jiān)存在較大(dà)區✉️别，爲了(le)更好地實(shí)現脈動流(liú)修正，讨論(lùn)和分析脈(mo)💰動流影響(xiǎng)渦輪✔️流量(liàng)計的關鍵(jian)要素是🔆必(bi)要的。
　　爲了(le)獲取脈動(dong)流影響渦(wō)輪流量計(ji)的關鍵要(yao)素，利用CFD仿(pang)⁉️真📞，對比和(he)分析正弦(xián)波以及方(fāng)波脈動流(liú)對渦輪流(liú)👉量計影響(xiǎng)的差異性(xing)，從流場速(su)度以及葉(ye)輪所受剪(jiǎn)切力兩個(ge)方面來探(tan)究差異性(xìng)的來源所(suǒ)在。
1計算流(liú)體力學仿(páng)真方法
1.1模(mó)型建立及(jí)網格劃分(fèn)
　　以1.5級DN50氣體(tǐ)渦輪流量(liang)計爲原型(xíng)，并對其進(jin)行仿真。其(qi)内☎️部基本(běn)結👅構參數(shu)詳見表1。建(jiàn)立仿真模(mo)型，對渦輪(lun)量計進行(hang)内部流場(chǎng)的提取。前(qián)後直管段(duàn)同軸安裝(zhuāng)👌，前直管段(duàn)長爲10D，後直(zhí)管段5D。前後(hòu)⭐直管段的(de)網格尺寸(cun)爲3mm,葉輪周(zhōu)圍的網格(ge)尺寸爲1mm，導(dǎo)流片前後(hòu)爲1mm,葉輪邊(bian)沿的網格(ge)尺寸爲0.2mm,對(duì)結構邊緣(yuan)及狹縫進(jin)行加密處(chu)🌐理，網格總(zong)數爲.262萬。
1.2邊(biān)界條件
　　入(rù)口采用速(su)度入口條(tiáo)件(Velocit-inlet)，出口采(cǎi)用壓力出(chu)口條件(Pressure-outlet)，選(xuan)擇💯渦輪✔️流(liu).量計的分(fèn)界流量點(diǎn)進行數值(zhí)仿真。該流(liu)量計的分(fen)界.流量點(diǎn)爲20m3/h,換算平(píng)均入口流(liú)速爲2.83m/s。出口(kǒu)壓力設置(zhì)爲0.5MPa。流體介(jie)質爲空氣(qì)，密度爲1.225kg/m3，動(dòng)力黏度爲(wei)1.79X10-5kg/(m.s)。選擇的🔴湍(tuān)流模型爲(wei)Realizablek-e模型。運動(dong)模型采用(yòng)6DOF模型。
 
 

入口(kǒu)速度表達(dá)式如下所(suǒ)示：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中，V1，,V2-----分(fèn)别爲正弦(xián)波、方波速(su)度入口的(de)瞬時速度(du)，m/s。
1.3儀表系數(shu)獲取方法(fǎ)及結果
　　仿(páng)真結束後(hou)，在葉輪的(de)輪毂上取(qu)一個點P，通(tōng)過後處理(li)軟件，獲得(de)葉輪旋轉(zhuǎn)穩定後的(de)平均線速(sù)度速度vp,通(tong)過公式(3)可(kě)計🌏算葉輪(lun)的轉速。
 
式(shi)中。n一葉輪(lún)轉速，單位(wèi):r/s;rp一點P繞X軸(zhou)旋轉的半(bàn)徑。
　　再由轉(zhuǎn)速n計算渦(wō)輪流量計(jì)的儀表系(xì)數K。折算後(hòu)的儀☔表系(xi)✍️數結果如(rú)表2所示，脈(mò)動流下的(de)渦輪流量(liang)計☔存在🔱着(zhe)正誤差，相(xiang)同🥰振幅、頻(pin)率下，不同(tóng)波形脈動(dong)流對渦輪(lún)流量計的(de)影響依然(ran)存在差異(yi)性。
2流場速(su)度分布
　　以(yi)5Hz不同波形(xing)脈動流作(zuo)用的渦輪(lun)流量計流(liú)場對比分(fèn)析。圖1所示(shi)爲方波脈(mo)動流在四(sì)種振幅下(xià)對應穩定(ding)後一個周(zhōu)期T内葉輪(lún)周圍的流(liu)場速度分(fèn)布圖，從左(zuo)到右時間(jiān)點依次爲(wèi)0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波工(gōng)況下，0T、0.25T時的(de)流場速度(du)明顯比0.5T、0.75T時(shí)的流場速(su)度更快，随(suí)着振幅的(de)加大，0T.0.25T時💜的(de)流場速度(du)增大，而0.5T.0.75T時(shi)的流場速(su)度則減慢(màn)。
　　對比兩種(zhong)波形的速(su)度分布圖(tú)，同振幅下(xia)的波峰時(shí)😄，方波㊙️工🧑🏽‍🤝‍🧑🏻況(kuang)下流場速(su)度略大于(yu)正弦波工(gong)況，且方波(bō)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的高流速(su)持續時間(jian)比正弦波(bo)的高流速(su)持續時間(jian)長。
 
3葉輪剪(jian)切應力分(fen)布
　　圖3~圖4分(fèn)别是5Hz時方(fāng)波、正弦波(bo)脈動流下(xià)葉輪，所受(shou)力矩。除了(le)流量🍓突變(biàn)點外，葉輪(lun)所受力矩(ju)與流量波(bō)形近似。
　　以(yǐ)5Hz不同波形(xing)脈動流作(zuò)用的渦輪(lún)流量計葉(ye)輪所受剪(jiǎn)切力對比(bi)分析。方波(bō)脈動流在(zai)四種振幅(fú)下穩定後(hòu)一個周期(qī)T内，分析🐅葉(ye)輪📱所受到(dao)的剪切應(ying)力分布。葉(ye)輪的剪切(qie)應力在0T、0.25T達(dá)到最大☔，随(sui)着振幅增(zēng)大而增大(da);在0.5T、0.75T時達🌈到(dào)最小，随着(zhe)振幅的增(zēng)大而減小(xiao)。正弦波脈(mò)動流在四(sì)種振幅下(xià)穩🈲定後一(yi)個周期T内(nèi)，分析葉輪(lun)所受到的(de)剪切應力(li)分布。在0T、0.5T時(shí)，葉輪所受(shou)應力幾💋乎(hū)不随振幅(fu)變化，在0.25T時(shí)即在波峰(feng)時的應力(lì)随着振幅(fú)🚶加大而增(zeng)加,在0.75T時随(sui)着振幅增(zēng)大而💃減😘小(xiǎo)。
4總結與讨(tǎo)論
　　對口徑(jìng)爲DN50的氣體(ti)渦輪流量(liàng)計仿真建(jiàn)模，進行了(le)一系列仿(páng)真實驗，以(yi)入口脈動(dong)流的波形(xíng)、頻率、振幅(fú)爲💞變量條(tiáo)件，完成了(le)相關仿❤️真(zhēn)實驗。通過(guo)仿真數據(ju)分析可知(zhī):
(1)脈動流作(zuò)用下，渦輪(lún)流量計會(huì)出現正誤(wù)差。由流場(chǎng)速☔度♻️分布(bu)、剪🛀切應力(lì)分布及葉(ye)輪所受到(dào)的力矩可(ke)以看出，葉(yè)輪轉速相(xiang)對穩定後(hòu)，脈動作用(yong)過程中葉(ye)輪加速和(hé)減速時間(jiān)幾乎相同(tóng)📞，而相同🏃‍♀️流(liú)量的脈動(dòng)流下的葉(ye)輪轉速比(bi)定常流下(xia)的高，表明(míng)加速過程(cheng)響應更快(kuài)。即葉輪在(zài)加速過程(chéng)中更爲敏(min)感，在相同(tong)流量升降(jiang)情🔱況下，流(liú)體流速上(shàng)升時，葉輪(lun)轉速立馬(ma)上升，而流(liú)速下降時(shi)，葉輪轉速(su)下降較緩(huan)慢或者延(yán)遲下降，從(cóng)而使得脈(mò)🌏動流下葉(yè)輪轉速🔞高(gāo)👉于定常流(liu)📞下的葉輪(lun)轉速，始終(zhōng)産🤞生正誤(wù)差。

 
(2)相同頻(pín)率振幅下(xia)，不同波形(xing)的脈動流(liú)産生的誤(wù)差大小不(bú)同。方🏃🏻波脈(mo)動流對應(yīng)的誤差最(zui)大，其次是(shì)正弦波。通(tōng)過速度分(fen)布圖可以(yi)看出，在相(xiàng)同頻率振(zhèn)幅的波峰(fēng)時，方波脈(mo)動流🌈下葉(ye)輪周圍的(de)流場速度(du)和🌍應力都(dou)要🚩比其他(tā)兩種波形(xíng)的⭐脈動流(liu)更♌大。在方(fāng)波作用下(xia)，一個周期(qi)内葉輪♍被(bèi)加速的時(shí)間更長，導(dao)緻🈚了相同(tong)頻率振幅(fu)下，方波工(gōng)況💘下葉輪(lun)轉速比正(zhèng)弦波轉速(sù)更♉高。正弦(xian)波脈動下(xià)，葉輪轉速(sù)是漸變的(de)，從而相比(bi)方波脈動(dòng)的😍轉速略(lue)低。
(3)在方波(bō)脈動流工(gōng)況下，葉輪(lun)受的到沖(chòng)擊力更強(qiang)，使葉輪有(you)🌍遭受物理(li)破壞的可(kě)能性。針對(duì)脈動流對(dui)渦輪流🏃🏻‍♂️量(liang)計的影響(xiǎng)，應🎯該還是(shi)盡量從振(zhen)源避免脈(mo)動流;在不(bu)能避免脈(mò)動流時，應(ying)遠🏃離振源(yuán)，或者是增(zeng)加✨流動調(diao)整器，降低(dī)脈動頻率(lǜ)、振🔴幅，盡量(liàng)消🛀🏻除類似(sì)脈♻️動突增(zēng)，保護渦輪(lun)流量計、控(kòng)制測量誤(wu)差;智能渦(wō)輪流量計(ji)，可以考慮(lǜ)在流量計(ji)的積算模(mo)塊增加脈(mo)動流修正(zhèng)公式，實現(xiàn)對渦輪流(liu)量計脈動(dong)流誤差的(de)修🤞正💋補償(chang)，保障流量(liàng)計在有脈(mo)動流工況(kuàng)下🐆的測量(liàng)精度。

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