摘要(yào):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(bo)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(xìng)。各工況下差異(yi)✍️性的來源，從流(liú)場速度和葉輪(lun)所受剪切力，分(fèn)析渦輪流量計(jì)在不同工況的(de)脈動流下👉内部(bù)流場的變化。發(fa)現兩🆚種脈動流(liu)在同頻率同振(zhen)幅的波峰時，對(dui)㊙️比正弦波脈動(dòng)流，方波脈動流(liu)下葉☂️輪周圍的(de)💃🏻流場速度更快(kuài)，葉輪所受到的(de)剪切應力更大(da)，持續時間長，力(li)🙇🏻矩峰值更大，這(zhè)是造成方波誤(wù)差大的根本原(yuan)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(yu)人民生活和工(gong)業生産中，天然(rán)氣的正确計量(liang)是利益❌相關方(fang)的關注重點。渦(wo)輪流量計在使(shǐ)用中具🆚有精度(du)高、重複性好、壓(ya)損小等優點。但(dàn)是，在天然氣大(da)流量管輸、天然(ran)氣大流量檢定(ding)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(dōu)可能産生脈動(dòng)流，會對渦輪流(liu)量計現場應用(yong)産生的測量誤(wù)差。
　　目前都聚焦(jiāo)正弦波脈動流(liu)對渦輪流量計(jì)的影響，關注脈(mò)動✏️頻☂️率和振幅(fú)，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(liu)影響渦輪👨‍❤️‍👨流量(liang)計的關鍵要素(su)是必要的。
　　爲了(le)獲取脈動流影(yǐng)響渦輪流量計(ji)的關鍵要素，利(li)用☎️CFD仿真，對🐪比和(he)分析正弦波以(yǐ)及方波脈動流(liú)對渦輪流量計(ji)影響的差異性(xìng)，從流場速度以(yǐ)及葉輪所受剪(jian)切力兩個方面(miàn)來探究差異性(xing)的😘來源所在。
1計(jì)算流體力學仿(páng)真方法
1.1模型建(jian)立及網格劃分(fen)
　　以1.5級DN50氣體渦輪(lún)流量計爲原型(xing)，并對其進行仿(páng)真。其🐉内部基💜本(ben)結構參數詳見(jiàn)表1。建立仿真模(mó)型，對渦輪量計(jì)進行内部流場(chǎng)的提取。前後直(zhí)管段同軸安裝(zhuāng)，前直管段長爲(wèi)10D，後直管段5D。前後(hou)直管段的網格(gé)尺寸爲3mm,葉輪周(zhōu)圍的網格尺寸(cun)爲1mm，導流片前後(hou)爲1mm,葉輪邊沿的(de)網格尺寸爲0.2mm,對(duì)結構邊緣及狹(xiá)縫🈲進行加密處(chù)♋理，網格總數爲(wèi)🍉.262萬。
1.2邊界條件
　　入(rù)口采用速度入(rù)口條件(Velocit-inlet)，出口采(cai)用壓力出口條(tiáo)件(Pressure-outlet)，選擇渦🈲輪流(liu).量計的分界流(liú)量點進行數值(zhí)仿真。該流量計(jì)的分界.流量點(diǎn)爲👨‍❤️‍👨20m3/h,換算平均入(ru)口流速爲2.83m/s。出💘口(kǒu)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(nián)度爲1.79X10-5kg/(m.s)。選擇的湍(tuan)流模型爲Realizablek-e模型(xing)。運動模型采用(yòng)6DOF模型。
 
 

入口速度(dù)表達式如下所(suo)示：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中，V1，,V2-----分别爲(wei)正弦波、方波速(sù)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(gū)上取一個點P，通(tong)過後處理軟件(jian)，獲♻️得葉輪旋轉(zhuan)穩定後的平均(jun1)線速度速度vp,通(tōng)過公式(3)可計算(suan)葉輪的轉速。
 
式(shi)中。n一葉輪轉速(sù)，單位:r/s;rp一點P繞X軸(zhóu)旋轉的半徑。
　　再(zài)由轉速n計算渦(wo)輪流量計的儀(yi)表系數K。折算後(hòu)的儀🐪表系數結(jié)果如表2所示，脈(mò)動流下的渦輪(lún)流量計存在🎯着(zhe)正誤差，相同振(zhen)幅、頻率下，不同(tong)波形脈動流對(duì)渦輪流量計的(de)影響依然存在(zài)差異性。
2流場速(su)度分布
　　以5Hz不同(tong)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(fang)波脈動流在四(sì)種振幅下對應(ying)穩定後一個⭕周(zhou)期T内葉輪周圍(wéi)的流場速度分(fen)布圖，從左到右(yòu)時間點依次爲(wèi)0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波工況下(xia)，0T、0.25T時的流場速度(du)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(liú)場速度則減慢(màn)。
　　對比兩種波形(xíng)的速度分布圖(tu)，同振幅下的波(bo)峰時，方👅波🍉工況(kuang)下⛱️流場速度略(lue)大于正弦波工(gong)況，且方波🈲的高(gao)流速🚩持續時間(jian)比正弦波的高(gāo)流速持續時間(jiān)長。
 
3葉輪剪切應(yīng)力分布
　　圖3~圖4分(fen)别是5Hz時方波、正(zhèng)弦波脈動流下(xia)葉輪，所受力矩(jǔ)。除了🤟流量突變(biàn)點外，葉輪所受(shòu)力矩與流量波(bo)形近似。
　　以5Hz不同(tóng)波形脈動流作(zuò)用的渦輪流量(liàng)計葉輪所受📞剪(jian)切力對比分析(xi)。方波脈動流在(zai)四種振幅下穩(wen)定後一個周🐉期(qi)T内，分析葉輪所(suǒ)受到的剪切應(ying)力分布。葉輪的(de)剪切應💘力在0T、0.25T達(dá)到最大，随着振(zhèn)幅增大而增大(dà);在0.5T、0.75T時達🐪到最小(xiao)，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(ding)後一個周🈲期T内(nèi)，分析葉👄輪所受(shou)到的剪切應力(lì)分布。在0T、0.5T時，葉輪(lún)所受應力幾乎(hū)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(zēng)加,在0.75T時随着振(zhen)幅增大而🔴減小(xiao)。
4總結與讨論
　　對(duì)口徑爲DN50的氣體(ti)渦輪流量計仿(pang)真建模，進行了(le)一系列仿真實(shi)⛹🏻‍♀️驗，以入口脈動(dòng)流的波形、頻率(lǜ)、振幅爲變量條(tiáo)件，完成⛹🏻‍♀️了相關(guan)仿真實驗。通過(guo)仿真數據分析(xi)可知:
(1)脈動流作(zuò)用下，渦輪流量(liang)計會出現正誤(wù)差。由流場速度(dù)⛷️分布、剪切應力(lì)分布及葉輪所(suo)受到的力矩可(ke)以看⭕出，葉輪轉(zhuǎn)速相對穩定後(hòu)，脈動作用過程(cheng)中葉輪加速和(hé)減速時間幾乎(hu)相同，而相同流(liu)量的脈動流下(xià)的葉輪轉速比(bǐ)定常流下的高(gao)，表明🙇🏻加速過程(chéng)🈲響應更快。即🧑🏽‍🤝‍🧑🏻葉(yè)輪在加速♉過程(chéng)中更爲敏感，在(zài)相同流量升降(jiang)情況下，流體流(liú)速上升時，葉輪(lún)轉速立馬上升(sheng)，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(ye)輪轉速高于定(ding)常流下的葉輪(lún)轉速，始終産生(sheng)正誤差。

 
(2)相同頻(pin)率振幅下，不同(tong)波形的脈動流(liú)産生的誤差🌈大(dà)小不同。方☎️波脈(mo)動流對應的誤(wu)差最大，其次是(shi)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(fēng)時，方波脈動流(liu)下葉輪周圍的(de)流場速度和㊙️應(ying)力都要☁️比其他(tā)兩種波形的脈(mo)動流更大。在方(fāng)波作用下，一個(ge)周期内葉輪被(bei)加速的時間更(gèng)長，導緻🈲了相同(tóng)頻率⭕振幅下，方(fāng)波工況下葉輪(lun)轉速比正弦波(bo)轉速更高。正弦(xian)波脈動下，葉輪(lún)轉速是漸變的(de)，從而相比方波(bo)脈動的轉速略(luè)低。
(3)在方波脈動(dong)流工況下，葉輪(lún)受的到沖擊力(lì)更強，使葉輪有(you)👈遭受物理破壞(huai)的可能性。針對(dui)脈動流對渦輪(lún)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(bi)免脈動流時，應(yīng)遠離振源，或者(zhě)是增加流動調(diào)整器，降低脈動(dòng)頻率、振幅，盡量(liang)消除類似脈動(dòng)突增，保護渦輪(lun)流量計、控制測(cè)量誤差;智能渦(wo)輪🥰流量計，可以(yi)👌考♻️慮在流量計(jì)的積算模塊增(zeng)加脈動流修正(zhèng)公式，實現♈對渦(wo)輪流量計脈💞動(dong)流誤差的修正(zheng)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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