摘(zhai)要:以DN50渦(wo)輪流量(liang)計 爲例(li)，采用CFD方(fang)法模拟(ni)了方波(bo)和正弦(xian)波兩種(zhong)脈動流(liu)在📱渦輪(lun)流量計(ji)中的流(liu)動。發現(xian)在不同(tong)波形、振(zhen)幅、頻率(lü)下的脈(mo)動流💛對(dui)渦輪流(liu)量計的(de)影響具(ju)有差異(yi)性。各工(gong)況下差(cha)異性的(de)來源，從(cong)流場速(su)度和葉(ye)輪所受(shou)剪切力(li)，分析渦(wo)輪流量(liang)計在不(bu)同工況(kuang)的脈動(dong)流下内(nei)部流場(chang)的🔞變化(hua)。發現兩(liang)‼️種脈動(dong)流在同(tong)頻率同(tong)振🌈幅的(de)波峰時(shi)，對比正(zheng)弦波脈(mo)動流，方(fang)波脈動(dong)流下葉(ye)輪周圍(wei)的流場(chang)速度更(geng)快，葉輪(lun)所受💋到(dao)的剪切(qie)應力更(geng)大，持續(xu)時間長(zhang)，力矩峰(feng)值更大(da)，這是造(zao)成方波(bo)誤❓差大(da)的根☂️本(ben)原因。
0引(yin)言
　　天然(ran)氣作爲(wei)清潔高(gao)效的綠(lü)色能源(yuan)，已被廣(guang)泛應用(yong)于人民(min)生活和(he)工業生(sheng)産中，天(tian)然氣的(de)正确計(ji)量是利(li)益🐅相關(guan)方的關(guan)注重點(dian)。渦輪流(liu)量計在(zai)使用中(zhong)具有精(jing)度高、重(zhong)複性好(hao)、壓損小(xiao)等優點(dian)。但是，在(zai)天然氣(qi)大流量(liang)管輸、天(tian)然氣大(da)流量檢(jian)定站中(zhong)，由☁️于流(liu)體管👣輸(shu)變化、動(dong)力機械(xie)旋轉、調(diao)節閥的(de)動作等(deng)，都可能(neng)産生脈(mo)動流，會(hui)對渦輪(lun)流量計(ji)現‼️場應(ying)用産生(sheng)的測量(liang)誤差。
　　目(mu)前都聚(ju)焦正弦(xian)波脈動(dong)流對渦(wo)輪流量(liang)計的影(ying)響，關注(zhu)脈動頻(pin)率和振(zhen)幅，但是(shi)正弦波(bo)脈動流(liu)與實際(ji)‼️脈動🌐流(liu)之間存(cun)在較大(da)區别，爲(wei)了更好(hao)地實現(xian)脈動流(liu)修正，讨(tao)論和分(fen)析脈動(dong)流影響(xiang)渦輪流(liu)量計的(de)關✌️鍵要(yao)素是必(bi)要的。
　　爲(wei)了獲取(qu)脈動流(liu)影響渦(wo)輪流量(liang)計的關(guan)鍵要素(su)，利用CFD仿(pang)真，對比(bi)和分析(xi)正弦波(bo)以及方(fang)波脈動(dong)流對渦(wo)輪流量(liang)計影響(xiang)的差異(yi)性，從流(liu)場速度(du)以及葉(ye)輪所受(shou)剪切力(li)兩個方(fang)面來探(tan)究差異(yi)性的來(lai)源所在(zai)。
1計算流(liu)體力學(xue)仿真方(fang)法
1.1模型(xing)建立及(ji)網格劃(hua)分
　　以1.5級(ji)DN50氣體渦(wo)輪流量(liang)計爲原(yuan)型，并對(dui)其進行(hang)仿真。其(qi)内部基(ji)本結構(gou)參數詳(xiang)見表1。建(jian)立仿真(zhen)模型，對(dui)渦輪量(liang)計進行(hang)内部流(liu)場的提(ti)取。前後(hou)直管段(duan)同軸安(an)裝，前直(zhi)管段長(zhang)爲💋10D，後直(zhi)管段5D。前(qian)後直管(guan)段的網(wang)格尺寸(cun)爲3mm,葉輪(lun)周圍的(de)網格尺(chi)寸爲1mm，導(dao)‼️流片前(qian)後爲1mm,葉(ye)輪邊❗沿(yan)的網格(ge)尺寸爲(wei)0.2mm,對結構(gou)邊緣及(ji)狹縫進(jin)行加密(mi)處理，網(wang)格總數(shu)🈚爲❌.262萬。
1.2邊(bian)界條件(jian)
　　入口采(cai)用速度(du)入口條(tiao)件(Velocit-inlet)，出口(kou)采用壓(ya)力出口(kou)條件(Pressure-outlet)，選(xuan)🧡擇渦輪(lun)流.量計(ji)的分界(jie)流量點(dian)進行數(shu)值仿真(zhen)。該♉流量(liang)計的分(fen)界.流量(liang)💚點爲20m3/h,換(huan)算平均(jun)入口流(liu)速爲2.83m/s。出(chu)口壓力(li)設置爲(wei)0.5MPa。流體介(jie)質爲空(kong)氣，密度(du)爲1.225kg/m3，動力(li)黏度🍉爲(wei)1.79X10-5kg/(m.s)。選擇的(de)湍流模(mo)型爲Realizablek-e模(mo)型。運動(dong)模型采(cai)用6DOF模型(xing)。
 
 

入口速(su)度表達(da)式如下(xia)所示：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式(shi)中，V1，,V2-----分别(bie)爲正弦(xian)波、方波(bo)速度入(ru)口的瞬(shun)時速度(du)，m/s。
1.3儀表系(xi)數獲取(qu)方法及(ji)結果
　　仿(pang)真結束(shu)後，在葉(ye)輪的輪(lun)毂上取(qu)一個點(dian)P，通過後(hou)處理軟(ruan)件，獲得(de)葉輪旋(xuan)轉穩定(ding)後的平(ping)均線速(su)度速度(du)vp,通過公(gong)式🔴(3)可計(ji)算葉輪(lun)的轉速(su)。
 
式中。n一(yi)葉輪轉(zhuan)速，單位(wei):r/s;rp一點P繞(rao)X軸旋轉(zhuan)的半徑(jing)。
　　再由轉(zhuan)速n計算(suan)渦輪流(liu)量計的(de)儀表系(xi)數K。折算(suan)後的儀(yi)表系數(shu)👈結果如(ru)表2所示(shi)，脈動流(liu)下的渦(wo)輪流量(liang)計存在(zai)着正誤(wu)差，相同(tong)振幅、頻(pin)率下，不(bu)同波形(xing)脈動流(liu)對渦輪(lun)流量計(ji)的影響(xiang)依然存(cun)在差異(yi)性。
2流場(chang)速度分(fen)布
　　以5Hz不(bu)同波形(xing)脈動流(liu)作用的(de)渦輪流(liu)量計流(liu)場對比(bi)分析。圖(tu)1所🔞示爲(wei)方波脈(mo)動流在(zai)四種振(zhen)幅下對(dui)應穩定(ding)後🏃🏻‍♂️一個(ge)周期T内(nei)葉輪周(zhou)圍的流(liu)場速度(du)分布圖(tu)，從左到(dao)右時間(jian)點依次(ci)爲0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方(fang)波工況(kuang)下，0T、0.25T時的(de)流場速(su)度明顯(xian)比0.5T、0.75T時的(de)流場速(su)度更快(kuai)，随着振(zhen)幅的加(jia)大，0T.0.25T時的(de)流場速(su)度🤩增大(da)，而0.5T.0.75T時的(de)流場速(su)度則減(jian)慢。
　　對比(bi)兩種波(bo)形的速(su)度分布(bu)圖，同振(zhen)幅下的(de)波峰時(shi)，方波工(gong)況下流(liu)場速度(du)略大于(yu)正弦波(bo)工況，且(qie)方波的(de)高🌈流速(su)持續時(shi)間比正(zheng)弦波的(de)高流速(su)持續時(shi)間長。
 
3葉(ye)輪剪切(qie)應力分(fen)布
　　圖3~圖(tu)4分别是(shi)5Hz時方波(bo)、正弦波(bo)脈動流(liu)下葉輪(lun)，所受力(li)矩。除了(le)流量突(tu)變點外(wai)，葉輪所(suo)受力矩(ju)與流量(liang)波形🔴近(jin)似。
　　以5Hz不(bu)同波形(xing)脈動流(liu)作用的(de)渦輪流(liu)量計葉(ye)輪所受(shou)剪切👨‍❤️‍👨力(li)對👅比分(fen)析。方波(bo)脈動流(liu)在四種(zhong)振幅下(xia)穩定後(hou)一個周(zhou)期T内，分(fen)析葉輪(lun)所受到(dao)的剪切(qie)應力分(fen)布。葉輪(lun)的剪切(qie)應力在(zai)0T、0.25T達到最(zui)大，随着(zhe)振幅增(zeng)大而增(zeng)大;在0.5T、0.75T時(shi)達到最(zui)小，随着(zhe)振幅的(de)增大而(er)減小。正(zheng)弦波脈(mo)動流在(zai)四種振(zhen)幅下穩(wen)定後一(yi)個周期(qi)T内，分析(xi)葉🤩輪所(suo)受到的(de)剪切應(ying)力分布(bu)。在0T、0.5T時，葉(ye)輪所受(shou)應✂️力幾(ji)乎不随(sui)振幅變(bian)化💜，在0.25T時(shi)即🤟在波(bo)峰時🔞的(de)應力随(sui)着振幅(fu)加大而(er)增加,在(zai)0.75T時🤩随着(zhe)振幅增(zeng)大而減(jian)小。
4總結(jie)與讨論(lun)
　　對口徑(jing)爲DN50的氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)仿真建(jian)模，進行(hang)了一系(xi)列仿真(zhen)實驗，以(yi)入口脈(mo)動流的(de)波形、頻(pin)率、振幅(fu)爲變量(liang)條件，完(wan)成🙇🏻了相(xiang)🍉關仿真(zhen)實驗。通(tong)過仿真(zhen)數據分(fen)析可知(zhi)♉:
(1)脈動流(liu)作用下(xia)，渦輪流(liu)量計會(hui)出現正(zheng)誤差。由(you)流場速(su)度分布(bu)🔞、剪切應(ying)力分布(bu)及葉輪(lun)所受到(dao)的力矩(ju)可以看(kan)🏃🏻‍♂️出，葉輪(lun)轉速相(xiang)對穩定(ding)後，脈動(dong)作用過(guo)程中葉(ye)輪加速(su)和減速(su)時間幾(ji)乎相同(tong)，而相同(tong)流量的(de)脈動流(liu)下的葉(ye)輪轉速(su)比定常(chang)流下的(de)高，表明(ming)✊加速過(guo)程❓響應(ying)更快。即(ji)葉輪在(zai)加速過(guo)程中更(geng)爲敏感(gan)，在相同(tong)流量升(sheng)降情📞況(kuang)🌈下，流體(ti)流速上(shang)🔞升時，葉(ye)輪轉速(su)立馬上(shang)升，而流(liu)速下降(jiang)時，葉輪(lun)轉速下(xia)降較緩(huan)慢或者(zhe)延遲下(xia)降，從而(er)使得脈(mo)動流下(xia)葉輪轉(zhuan)速✌️高于(yu)定常流(liu)下的葉(ye)輪轉速(su)，始終産(chan)生正誤(wu)差。

 
(2)相同(tong)頻率振(zhen)幅下，不(bu)同波形(xing)的脈動(dong)流産生(sheng)的誤差(cha)大⁉️小不(bu)同。方🌍波(bo)脈動流(liu)對應的(de)誤差最(zui)大，其次(ci)是正弦(xian)波☀️。通過(guo)速度分(fen)布圖可(ke)🔱以看出(chu)，在相同(tong)頻率振(zhen)幅的波(bo)峰♌時，方(fang)波脈動(dong)流下葉(ye)輪周圍(wei)的流場(chang)速度和(he)應力都(dou)要比其(qi)他兩種(zhong)波形的(de)脈動流(liu)更大。在(zai)方波🛀🏻作(zuo)用下，一(yi)個周期(qi)内葉輪(lun)被加速(su)的時間(jian)更長，導(dao)緻了相(xiang)同頻率(lü)振幅下(xia)，方波工(gong)況下葉(ye)輪轉速(su)比正弦(xian)波轉速(su)更高。正(zheng)弦❄️波脈(mo)動下，葉(ye)輪轉速(su)是漸變(bian)的，從而(er)😘相比方(fang)波脈動(dong)的轉速(su)略低。
(3)在(zai)方波脈(mo)動流工(gong)況下，葉(ye)輪受的(de)到沖擊(ji)力更強(qiang)，使葉輪(lun)有❄️遭受(shou)物理破(po)壞的可(ke)能性。針(zhen)對脈動(dong)流對渦(wo)輪流量(liang)計的影(ying)響，應該(gai)還是盡(jin)量從振(zhen)源避免(mian)脈動流(liu);在不能(neng)避免脈(mo)動流時(shi)，應遠🈚離(li)振源，或(huo)者是增(zeng)加流動(dong)調整器(qi)，降低脈(mo)動頻率(lü)、振幅，盡(jin)量消除(chu)類似脈(mo)動突增(zeng)，保護🔴渦(wo)輪流量(liang)計、控制(zhi)測量誤(wu)差;智能(neng)渦輪流(liu)量計，可(ke)以考慮(lü)在流量(liang)計的積(ji)算模塊(kuai)增加㊙️脈(mo)動流修(xiu)正公式(shi)，實現對(dui)渦輪流(liu)量計脈(mo)動流誤(wu)差的修(xiu)正補償(chang)，保障流(liu)量計在(zai)有脈動(dong)流工況(kuang)下的測(ce)量精度(du)。

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