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(bo)形、振幅、頻率下的(de)脈動流對渦輪流(liú)🌐量計的影響具有(yǒu)差異性。各工況🙇🏻下(xià)差異性的來源，從(cong)流🈲場速度和葉輪(lún)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(bian)化。發現兩⛹🏻‍♀️種脈動(dòng)流在同頻率同振(zhen)幅的波峰時，對比(bi)正弦波脈動♍流，方(fāng)波脈動流下葉輪(lún)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(zao)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(shēng)産中，天然氣的正(zhèng)确計量是利益相(xiang)關方的關注重點(dian)。渦輪流量計在使(shǐ)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(shu)、天然氣大流量檢(jian)定站中，由于流體(tǐ)管輸變化、動力機(jī)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(ying)用産生的測量誤(wu)差。
　　目前都聚焦正(zhèng)弦波脈動流對渦(wō)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(mò)動流之間存在較(jiào)大區别，爲了更好(hǎo)地實現脈動流修(xiu)正，讨論和分析脈(mò)動流影🔱響渦輪🌂流(liú)量計的關鍵要素(su)是😍必要的。
　　爲了獲(huo)取脈動流影響渦(wo)輪流量計的關鍵(jian)要素，利用CFD仿真✔️，對(duì)比和分析正弦波(bō)以及方波脈動流(liú)對渦輪流量計🛀🏻影(yǐng)響的差異性，從流(liú)場速度以及葉輪(lun)所受剪切力兩個(gè)方面來探究差異(yi)性的來源所在。
1計(jì)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(wèi)原型，并對其進行(háng)仿真。其内部基本(ben)結構參數詳見表(biǎo)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(ān)裝，前直管段長爲(wèi)10D，後直管段5D。前後直(zhi)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(dui)結構邊緣及狹縫(féng)進行加密處🐆理，網(wang)格總數爲🐕.262萬。
1.2邊界(jiè)條件
　　入口采用速(sù)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(liang)計的分界流量點(dian)進行數值仿真。該(gai)流量計的分界.流(liu)量點爲20m3/h,換算平均(jun)入口流速爲2.83m/s。出口(kou)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(wèi)Realizablek-e模型。運動模型采(cǎi)用6DOF模型。
 
 

入口速度(du)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(xián)波、方波速度入口(kǒu)的瞬時速度，m/s。
1.3儀表(biao)系數獲取方法及(jí)結果
　　仿真結束後(hòu)，在葉輪的輪毂上(shang)取一個點P，通過後(hòu)處⛷️理軟件👣，獲得葉(yè)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(suan)葉😄輪的轉速。
 
式中(zhong)。n一葉輪轉速，單位(wei):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(hòu)的儀表系數結果(guo)如表2所示，脈動流(liú)下的渦輪流量計(ji)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(yǐng)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(bō)脈動流在四種振(zhèn)幅下對應穩定後(hòu)一個周期T内葉💯輪(lún)周圍的流場速度(dù)分布圖，從左到右(you)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(geng)快，随着振幅的加(jia)大，0T.0.25T時😘的流場速度(dù)增大，而0.5T.0.75T時的👈流場(chang)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(lue)大于正弦波工況(kuang)，且方波的高流速(su)☀️持續時間比正👣弦(xián)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(fèn)别是5Hz時方波、正弦(xián)波脈動流下葉輪(lún)，所受力✉️矩。除了流(liu)量突變點外，葉輪(lún)所受力矩與流量(liang)波形近似。
　　以5Hz不同(tong)波形脈動流作用(yòng)的渦輪流量計葉(yè)輪所受剪切✨力對(duì)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(shou)到的剪切應力分(fen)布。葉輪的剪切應(ying)力在0T、0.25T達到最大，随(suí)着振幅增大而增(zēng)大;在0.5T、0.75T時達到最小(xiao)，随♍着振幅的增大(dà)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(lì)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(jing)爲DN50的氣體渦輪流(liu)量計仿真建模，進(jìn)行了一系🌍列仿🐕真(zhen)✂️實驗，以入口脈動(dong)流的波形、頻率、振(zhèn)幅爲變量條件，完(wán)成了相關仿真實(shi)驗。通過仿真數據(jù)分析可知:
(1)脈動流(liu)作用下，渦輪流量(liang)計會出現正誤差(chà)。由流場速度分🍉布(bu)、剪切應力分布及(ji)葉輪所受到的力(li)矩可🐇以看出，葉輪(lun)轉速相對穩定後(hòu)，脈動作用過程中(zhōng)葉輪加速和減速(su)時間幾乎相同，而(er)相同🐆流量的脈動(dòng)流下的葉輪轉速(su)比定常流下的高(gao)，表明加速過程響(xiǎng)應更快。即葉輪在(zài)加速⭐過程中更爲(wei)敏感，在相同流量(liang)升降情況下，流體(tǐ)流速上升時，葉輪(lun)轉速立馬上升，而(ér)流速下降♌時，葉輪(lún)轉速下降較緩慢(màn)或者延遲下降，從(cong)而使得脈動流下(xià)葉輪轉速高🐉于定(ding)常流下的葉輪轉(zhuan)速，始終産生正誤(wù)差。

 
(2)相同頻率振幅(fu)下，不同波形的脈(mo)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(xiang)同頻率振幅的波(bo)峰📱時，方波脈動流(liu)下葉輪❤️周圍的流(liú)場速度和🏃‍♀️應力都(dou)要比其他兩種波(bō)形的脈動流更大(dà)。在方波作用下，一(yi)個周期内葉輪被(bei)加速的時間更長(zhang)，導緻✔️了相同頻率(lǜ)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(lun)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(xià)，葉輪受的到沖擊(jī)力更強，使🙇🏻葉輪有(you)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(mian)脈動流;在不能避(bi)免脈動流時，應遠(yuan)離振源🌍，或者是增(zeng)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(lún)流量計、控制測量(liang)誤差;智能渦輪流(liu)量計，可以考慮在(zài)流量計的積算模(mó)塊增加🧑🏾‍🤝‍🧑🏼脈動☔流修(xiu)正公式，實現對渦(wō)輪🌐流量計脈動流(liu)誤差的修正補償(cháng)，保障流量計在有(you)脈動流工況下的(de)測量精度。

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