摘(zhai)要:以DN50渦輪(lun)流量計 爲(wei)例，采用CFD方(fang)法模拟了(le)方波和正(zheng)弦波兩種(zhong)脈動流在(zai)渦輪流👣量(liang)計中的流(liu)動。發現在(zai)不同波形(xing)、振幅、頻率(lü)下的脈動(dong)流對渦輪(lun)流⭐量計的(de)影響具有(you)差異性⛱️。各(ge)工況下差(cha)異性的來(lai)源，從流💔場(chang)速度和葉(ye)輪所受剪(jian)切力，分析(xi)渦輪流♻️量(liang)計在不同(tong)工況的脈(mo)動流下内(nei)部流場的(de)變化。發現(xian)兩❄️種脈動(dong)流在👉同頻(pin)率同振幅(fu)的波峰時(shi)，對比正弦(xian)波脈動流(liu)，方波脈動(dong)流下葉輪(lun)周圍的流(liu)場速度更(geng)快，葉輪所(suo)受🔴到的剪(jian)切應力💃更(geng)大，持續時(shi)間長，力矩(ju)峰值更大(da)，這是造🔆成(cheng)方波誤差(cha)大的根本(ben)原因。
0引言(yan)
　　天然氣作(zuo)爲清潔高(gao)效的綠色(se)能源，已被(bei)廣泛應用(yong)于人民生(sheng)活和工業(ye)生産中，天(tian)然氣的正(zheng)确計量是(shi)利益相關(guan)方的關注(zhu)重點。渦輪(lun)流量計在(zai)使用中具(ju)有精度高(gao)、重複性好(hao)、壓損小等(deng)優點。但🙇🏻是(shi)，在天然氣(qi)大流量管(guan)輸、天然氣(qi)大流量檢(jian)定站中，由(you)于流體管(guan)輸變化、動(dong)力機械旋(xuan)轉、調👈節閥(fa)的動作等(deng)，都可能産(chan)生脈動流(liu)，會對渦輪(lun)流量計現(xian)場應用産(chan)生的測量(liang)誤差。
　　目前(qian)都聚焦正(zheng)弦波脈動(dong)流對渦輪(lun)流量計的(de)影響，關注(zhu)脈動頻率(lü)和振幅，但(dan)是正弦波(bo)脈動流與(yu)實際脈動(dong)流之間存(cun)在較大區(qu)别，爲了更(geng)好地實現(xian)脈動流修(xiu)正，讨論和(he)分析脈動(dong)流影響渦(wo)輪流量計(ji)的關鍵要(yao)素是🈲必要(yao)的。
　　爲了獲(huo)取脈動流(liu)影響渦輪(lun)流量計的(de)關鍵要素(su)，利用CFD仿真(zhen)，對比👅和分(fen)析正弦波(bo)以及方波(bo)脈動流對(dui)渦輪流量(liang)計影響的(de)差異性，從(cong)流場速度(du)以及葉輪(lun)所受剪切(qie)力兩個方(fang)面來探究(jiu)差異性的(de)來源所在(zai)。
1計算流體(ti)力學仿真(zhen)方法
1.1模型(xing)建立及網(wang)格劃分
　　以(yi)1.5級DN50氣體渦(wo)輪流量計(ji)爲原型，并(bing)對其進行(hang)仿真。其内(nei)部基本結(jie)構參數詳(xiang)見表1。建立(li)仿真模型(xing)，對渦輪量(liang)計進行内(nei)部流場的(de)提取。前後(hou)直管段同(tong)軸安裝🍓，前(qian)直管段長(zhang)爲10D，後直管(guan)段5D。前後直(zhi)管段的網(wang)格尺寸爲(wei)3mm,葉輪周圍(wei)的網格尺(chi)寸爲1mm，導流(liu)片前後爲(wei)1mm,葉輪邊沿(yan)的網格尺(chi)寸爲0.2mm,對結(jie)構邊緣及(ji)狹縫進行(hang)加密處理(li)，網格總數(shu)爲.262萬。
1.2邊界(jie)條件
　　入口(kou)采用速度(du)入口條件(jian)(Velocit-inlet)，出口采用(yong)壓力出口(kou)條件🚩(Pressure-outlet)，選❄️擇(ze)渦🧑🏽‍🤝‍🧑🏻輪流.量(liang)計的分界(jie)流量點進(jin)行數值仿(pang)真。該流量(liang)‼️計的分界(jie).流量點爲(wei)20m3/h,換算平均(jun)入口流速(su)爲2.83m/s。出口壓(ya)力設置爲(wei)㊙️0.5MPa。流體介質(zhi)爲空氣，密(mi)度爲1.225kg/m3，動力(li)黏度爲1.79X10-5kg/(m.s)。選(xuan)擇的湍流(liu)模型爲Realizablek-e模(mo)型。運動模(mo)型采用6DOF模(mo)型。
 
 

入口速(su)度表達式(shi)如下所示(shi)：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中，V1，,V2-----分别(bie)爲正弦波(bo)、方波速度(du)入口的瞬(shun)時速度，m/s。
1.3儀(yi)表系數獲(huo)取方法及(ji)結果
　　仿真(zhen)結束後，在(zai)葉輪的輪(lun)毂上取一(yi)個點P，通過(guo)後處理軟(ruan)件，獲得葉(ye)輪旋轉穩(wen)定後的平(ping)均線速度(du)速度vp,通過(guo)公式㊙️(3)可計(ji)算葉輪的(de)轉速。
 
式中(zhong)。n一葉輪轉(zhuan)速，單位:r/s;rp一(yi)點P繞X軸旋(xuan)轉的半徑(jing)。
　　再由轉速(su)n計算渦輪(lun)流量計的(de)儀表系數(shu)K。折算後的(de)儀表系數(shu)♈結🔞果如表(biao)2所示，脈動(dong)流下的渦(wo)輪流量計(ji)存在💚着正(zheng)誤差，相同(tong)⛹🏻‍♀️振幅🚩、頻率(lü)下，不同波(bo)形脈動流(liu)對渦輪流(liu)量計💃的影(ying)響依然存(cun)在差異性(xing)。
2流場速度(du)分布
　　以5Hz不(bu)同波形脈(mo)動流作用(yong)的渦輪流(liu)量計流場(chang)對比分💃🏻析(xi)。圖🤟1所示爲(wei)方波脈動(dong)流在四種(zhong)振幅下對(dui)應穩定後(hou)一個周期(qi)T内葉輪周(zhou)圍的流場(chang)速度分布(bu)圖，從💛左到(dao)右時間點(dian)依次爲0T、0.25T、0.5T、0.75T。在(zai)方波工況(kuang)下，0T、0.25T時的流(liu)場速度明(ming)顯比0.5T、0.75T時的(de)流場♉速度(du)更快，随着(zhe)振幅的加(jia)大，0T.0.25T時的流(liu)場速度增(zeng)大，而0.5T.0.75T時的(de)流場速度(du)則減慢。
　　對(dui)比兩種波(bo)形的速度(du)分布圖，同(tong)振幅下的(de)波峰時，方(fang)波工況♻️下(xia)❄️流場速度(du)略大于正(zheng)弦波工況(kuang)，且方波的(de)高流速持(chi)續時間比(bi)正弦波的(de)高流速持(chi)續時間長(zhang)。
 
3葉輪剪切(qie)應力分布(bu)
　　圖3~圖4分别(bie)是5Hz時方波(bo)、正弦波脈(mo)動流下葉(ye)輪，所受力(li)矩。除🌍了流(liu)量突變點(dian)外，葉輪所(suo)受力矩與(yu)流量波形(xing)近似。
　　以5Hz不(bu)同波形脈(mo)動流作用(yong)的渦輪流(liu)量計葉輪(lun)所受剪切(qie)力對比分(fen)析。方波脈(mo)動流在四(si)種振幅下(xia)穩定後一(yi)🏃🏻‍♂️個周期T内(nei)，分析葉輪(lun)✂️所受到的(de)剪切應力(li)分布💞。葉輪(lun)的剪切應(ying)力在0T、0.25T達到(dao)最大，随着(zhe)振幅增大(da)而增大;在(zai)0.5T、0.75T時達到最(zui)小，随着振(zhen)幅的增大(da)而減小。正(zheng)弦波脈動(dong)流在四種(zhong)振幅下穩(wen)定後一個(ge)周期T内，分(fen)析葉😍輪所(suo)受到的🌏剪(jian)切應力分(fen)布。在0T、0.5T時，葉(ye)輪所受應(ying)力幾乎不(bu)随振幅變(bian)化，在0.25T時即(ji)在波峰時(shi)的應力随(sui)着振幅加(jia)大而增加(jia),在0.75T時🤞随着(zhe)振幅增大(da)而🐪減小。
4總(zong)結與讨論(lun)
　　對口徑爲(wei)DN50的氣體渦(wo)輪流量計(ji)仿真建模(mo)，進行了一(yi)系🐉列仿真(zhen)實驗，以入(ru)口脈動流(liu)的波形、頻(pin)率、振幅爲(wei)變量條件(jian)，完成了相(xiang)關仿真實(shi)驗。通過仿(pang)真數據分(fen)🔴析可知:
(1)脈(mo)動流作用(yong)下，渦輪流(liu)量計會出(chu)現正誤差(cha)。由流場速(su)度🤞分布、剪(jian)⭐切應力分(fen)布及葉輪(lun)所受到的(de)力矩可以(yi)看出，葉輪(lun)轉速相對(dui)穩定後，脈(mo)動作用過(guo)程中葉輪(lun)加速和減(jian)速時間幾(ji)乎相同，而(er)相同流量(liang)的脈動流(liu)下的葉輪(lun)轉速比定(ding)常流下的(de)高，表明加(jia)速過程👈響(xiang)應更快。即(ji)葉輪在加(jia)速過程中(zhong)更爲敏感(gan)，在相同❄️流(liu)量升降情(qing)況下，流體(ti)流速上升(sheng)時，葉輪轉(zhuan)速立馬上(shang)升，而流速(su)下降💘時，葉(ye)輪轉速下(xia)降🌈較緩慢(man)或者延遲(chi)👌下降，從而(er)使得脈🔆動(dong)流下葉輪(lun)轉速高🙇🏻于(yu)定常流下(xia)的葉輪轉(zhuan)速，始終産(chan)生正誤❤️差(cha)。

 
(2)相同頻率(lü)振幅下，不(bu)同波形的(de)脈動流産(chan)生的誤差(cha)大小不同(tong)。方波脈動(dong)流對應的(de)誤差最大(da)，其次是正(zheng)❗弦波。通過(guo)速度分布(bu)圖可以看(kan)出，在相同(tong)頻率振幅(fu)的波峰時(shi)，方波脈動(dong)流😍下葉輪(lun)周圍的流(liu)場速度和(he)應力都要(yao)比其他兩(liang)種波形的(de)⛷️脈動流更(geng)大。在方波(bo)作用下，一(yi)個周期内(nei)葉輪被加(jia)速的時間(jian)更長，導緻(zhi)了相同頻(pin)率振幅下(xia)，方波工況(kuang)下葉輪轉(zhuan)速比正弦(xian)波轉速更(geng)高。正弦波(bo)脈動下，葉(ye)輪轉速是(shi)漸變的，從(cong)而相比方(fang)波脈動的(de)😍轉速略低(di)。
(3)在方波脈(mo)動流工況(kuang)下，葉輪受(shou)的到沖擊(ji)力更強，使(shi)葉輪有遭(zao)受物理破(po)壞的可能(neng)性。針對脈(mo)動流對渦(wo)輪流量計(ji)的影響，應(ying)該還是盡(jin)量從振源(yuan)避免脈動(dong)流;在不能(neng)避免🏃脈動(dong)流時，應遠(yuan)離振源，或(huo)者是增加(jia)流動調整(zheng)👨‍❤️‍👨器，降低脈(mo)動頻率、振(zhen)幅，盡量消(xiao)除類似脈(mo)動突增，保(bao)護渦輪流(liu)量計、控制(zhi)測量誤差(cha);智能渦輪(lun)流量計，可(ke)以考📞慮在(zai)流量計的(de)積算模塊(kuai)增加脈動(dong)流修正公(gong)式，實現對(dui)渦輪流量(liang)計脈動流(liu)誤差的修(xiu)正補償，保(bao)障流量計(ji)在有脈動(dong)流工況下(xia)的測量精(jing)度。

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