摘要(yao):以DN50渦輪流量計 爲(wei)例，采用CFD方法模拟(nǐ)了方波和正弦波(bo)兩種脈動流在渦(wō)輪流量計中的流(liu)動。發現在不同波(bō)形、振幅、頻率下的(de)脈動流對渦輪流(liú)量計的影響具有(you)差異性。各工況💃🏻下(xia)差異⛱️性的來源，從(cóng)流場速度和葉輪(lun)所受剪切力，分析(xi)渦輪流量計在不(bú)同工況的脈動流(liu)下⭕内部流場的變(biàn)化。發現兩種脈動(dòng)流在💔同頻率同振(zhen)♻️幅的波峰時🏃🏻，對😍比(bǐ)正弦波脈動流，方(fang)波脈動流下葉輪(lun)周圍的🏃流場速度(dù)更快，葉輪所受🤞到(dào)的剪切應力更大(da)，持續時間長，力⛷️矩(ju)峰值更大，這是🐅造(zào)💜成方波誤差大的(de)根本原因。
0引言
　　天(tiān)然氣作爲清潔高(gao)效的綠色能源，已(yi)被廣泛應用🏃🏻‍♂️于人(rén)民生活☀️和工業生(sheng)産中，天然氣的正(zheng)确計量是利益相(xiàng)關方的關注重點(diǎn)⛷️。渦輪流量計在使(shi)用中具有精度高(gāo)、重複性好、壓👣損小(xiao)等優點。但🙇‍♀️是，在天(tian)然氣💘大流量管輸(shū)、天然氣🐅大流量檢(jiǎn)定站中，由于流體(ti)管輸變化、動力機(ji)械旋轉、調節閥的(de)動作等，都可能産(chǎn)👣生脈動流，會對渦(wō)輪流量計現場應(yīng)用産生的測量誤(wu)差。
　　目前都聚焦正(zheng)弦波脈動流對渦(wo)輪流量計的影響(xiang)🔴，關🧡注脈動頻率和(he)振幅，但是正弦波(bo)脈動流與實際🐆脈(mo)動流之間存在較(jiao)大區别，爲了更好(hao)地實現脈動流修(xiū)正，讨論和分析脈(mo)動流影響渦輪流(liú)量計的關鍵要素(sù)是必要的。
　　爲了獲(huò)取脈動流影響渦(wo)輪流量計的關鍵(jiàn)要素，利用CFD仿真，對(duì)❓比🔞和分析正弦波(bo)以及方波脈動流(liú)對渦輪流💋量計😄影(ying)響的差異性，從流(liú)場速度以及葉輪(lún)所受剪切力兩個(gè)方面來探究差❤️異(yi)性的來源所在。
1計(ji)算流體力學仿真(zhen)方法
1.1模型建立及(jí)網格劃分
　　以1.5級DN50氣(qi)體渦輪流量計爲(wei)原型，并對其進行(háng)仿真。其内💃部基本(ben)結構參數詳見表(biao)1。建立仿真模型，對(duì)渦輪量計進行内(nèi)部流場的提取。前(qian)後直管段同軸安(an)裝，前直管段長爲(wèi)10D，後直管段5D。前後直(zhí)管段🔴的網格尺寸(cùn)爲3mm,葉輪周圍的網(wang)格尺寸爲1mm，導流片(pian)前後爲1mm,葉輪邊✨沿(yan)的網格尺寸爲0.2mm,對(duì)結構⭐邊緣及狹縫(féng)進行加密處理，網(wǎng)格總數爲.262萬。
1.2邊界(jie)條件
　　入口采用速(su)度入口條件(Velocit-inlet)，出口(kǒu)采用壓力出口條(tiáo)件(Pressure-outlet)，選♻️擇⛹🏻‍♀️渦輪流💚.量(liàng)計的分界流量點(dian)進行數值仿真。該(gāi)流量☎️計的分界.流(liu)量點爲💚20m3/h,換算平均(jun1)入口流速爲2.83m/s。出🤞口(kǒu)壓力設置爲0.5MPa。流體(tǐ)介質爲空氣，密度(du)爲1.225kg/m3，動力黏度爲1.79X10-5kg/(m.s)。選(xuan)擇的湍流模型爲(wei)Realizablek-e模型。運動模型采(cǎi)用6DOF模型。
 
 

入口速度(dù)表達式如下所示(shi)：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中，V1，,V2-----分别爲正弦(xian)波、方波速度入口(kǒu)的瞬時速度，m/s。
1.3儀表(biǎo)系數獲取方法及(ji)結果
　　仿真結束後(hou)，在葉輪的輪毂上(shàng)取一個點P，通過後(hou)處理軟件，獲得葉(ye)輪旋轉穩定後的(de)平均線速度速度(du)vp,通過公式(3)可計算(suàn)葉輪的轉速。
 
式中(zhōng)。n一葉輪轉速，單位(wèi):r/s;rp一點P繞X軸旋轉的(de)半徑。
　　再由轉速n計(ji)算渦輪流量計的(de)儀表系數K。折算後(hou)的💋儀表系數結果(guǒ)如表2所示，脈動流(liu)下的渦輪流量計(jì)😘存在着正誤差🌈，相(xiang)同振幅、頻率下，不(bu)同波形脈動流對(duì)渦輪流量計🌂的影(ying)響依然存在差異(yì)🐉性。
2流場速度分布(bu)
　　以5Hz不同波形脈動(dong)流作用的渦輪流(liú)量計流場對比分(fèn)析。圖1所🐇示爲方波(bo)脈動流在四種振(zhèn)幅下對應穩定後(hou)一個🌈周期T内葉輪(lún)周圍的流場速度(dù)分布圖，從左到右(yòu)時間點依次爲0T、0.25T、0.5T、0.75T。在(zai)方波工況下，0T、0.25T時的(de)流場速度明顯比(bi)0.5T、0.75T時的流場速度更(gèng)快⛱️，随着振幅的加(jiā)大，0T.0.25T時的流場速度(dù)增大，而0.5T.0.75T時的流場(chǎng)速度則減慢。
　　對比(bi)兩種波形的速度(dù)分布圖，同振幅下(xià)的波峰時，方波工(gong)況下流場速度略(luè)大于正弦波工況(kuang)，且方波的高流速(su)持續時間比正弦(xian)波的高流速持續(xu)時間長。
 
3葉輪剪切(qie)應力分布
　　圖3~圖4分(fen)别是5Hz時方波、正弦(xian)波脈動流下葉輪(lun)，所受力矩。除了📧流(liu)🤞量突變點外，葉輪(lún)所受力矩與流量(liàng)波形近似⛹🏻‍♀️。
　　以5Hz不同(tóng)波形脈動流作用(yong)的渦輪流量計葉(ye)輪所受剪切力🎯對(dui)比分析。方波脈動(dòng)流在四種振幅下(xià)穩定後一個周期(qi)T内，分析葉輪所受(shòu)到的剪切應力分(fèn)布。葉輪的剪切應(yīng)力在0T、0.25T達到最大，随(sui)着振幅增大而增(zeng)大;在0.5T、0.75T時達到最小(xiao)，随着振幅的增大(da)而減小。正弦波💃脈(mò)動流在四👈種振幅(fu)下穩定後一個周(zhou)期T内，分析葉輪所(suo)受到的剪切應力(li)分布。在0T、0.5T時，葉輪所(suo)受應力幾乎不随(suí)振幅變化，在0.25T時即(jí)在波峰時的應力(li)随着振幅加大而(er)增加,在0.75T時随着振(zhen)幅增大而減小。
4總(zǒng)結與讨論
　　對口徑(jìng)爲DN50的氣體渦輪流(liú)量計仿真建模，進(jin)行了一系列仿真(zhēn)實驗，以入口脈動(dòng)流的波形、頻率、振(zhen)幅爲變量條件，完(wán)成了相㊙️關仿真實(shi)驗。通過仿真數據(ju)分析可知:
(1)脈動流(liú)作用下，渦輪流量(liang)計會出現正誤差(cha)。由流場速🔅度💃分㊙️布(bù)🔱、剪🥰切應力分布及(jí)葉輪所受到的力(lì)矩可以看🔱出，葉輪(lún)轉速相對穩定後(hòu)，脈動作用過程中(zhong)葉輪加速🐕和減速(sù)時間幾乎相同👈，而(ér)相同流量的脈動(dong)流下的葉輪轉速(su)比定常流下的高(gao)，表明加速過程🏒響(xiang)應更快。即🤞葉輪在(zai)加速過程中更爲(wei)敏感，在相同🈚流量(liang)升降情況下，流體(ti)流速上升時，葉輪(lun)轉速立馬上升，而(er)流速下降時，葉輪(lún)轉速下降較緩慢(man)或者延遲下降，從(cong)而使得脈🔞動流下(xia)葉輪轉速高于定(dìng)常流下的葉輪🧡轉(zhuǎn)速，始終産生正誤(wù)差。

 
(2)相同頻率振幅(fú)下，不同波形的脈(mò)動流産生的誤差(chà)大小不同。方波脈(mo)動流對應的誤差(cha)最大，其次是正🈲弦(xián)波。通過速度分布(bù)圖可以看出，在相(xiàng)同頻率振幅的波(bo)峰🐆時，方波㊙️脈動流(liú)下葉輪🚩周圍的流(liú)場速度和應力都(dōu)要比其他兩🍓種波(bo)形的脈動流更✉️大(da)。在方波作用下，一(yī)個周期内葉輪被(bei)加速的時間更長(zhǎng)，導緻✂️了相同頻率(lü)振幅下，方波工況(kuàng)下葉輪轉速比正(zhèng)弦波轉速更高。正(zhèng)弦波脈動下，葉輪(lún)轉速是漸變的，從(cóng)而相比方波脈動(dòng)的🈲轉速略低。
(3)在方(fang)波脈動流工況下(xia)，葉輪受的到沖擊(jī)力更強，使🌈葉輪有(yǒu)遭☂️受物理破壞的(de)可能性。針對脈動(dòng)流對渦👅輪流量計(ji)的影🐕響，應該還🔴是(shì)盡量從振源避免(miǎn)脈動♌流;在不能避(bi)免脈動流時，應遠(yuǎn)離振源，或者是增(zēng)加流動調整器，降(jiang)低脈動頻率、振幅(fu)，盡量消除類似脈(mo)🔞動突增，保護渦輪(lun)流量計、控制測量(liang)誤差;智能渦輪流(liú)量計，可以考♉慮在(zai)流量計的積算模(mó)塊增加㊙️脈動流修(xiū)正公式，實現對渦(wo)輪流量計脈動流(liú)誤差的修正🆚補償(cháng)，保障流量計在有(yǒu)脈動流工況下的(de)測量精度。

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