摘要:以DN50渦輪流量計為例，采用CFD方法模擬了方波和正弦波兩種脈動流在渦輪流量計中的流動。發(fā)現(xiàn)在不同波形、振幅、頻率下的脈動流對渦輪流量計的影響具有差異性。各工況下差異性的來源，從流場速度和葉輪所受剪切力，分析渦輪流量計在不同工況的脈動流下內(nèi)部流場的變化。發(fā)現(xiàn)兩種脈動流在同頻率同振幅的波峰時，對比正弦波脈動流，方波脈動流下葉輪周圍的流場速度更快，葉輪所受到的剪切應(yīng)力更大，持續(xù)時間長，力矩峰值更大，這是造成方波誤差大的根本原因。
0引言
天然氣作為清潔高效的綠色能源，已被廣泛應(yīng)用于人民生活和工業(yè)生產(chǎn)中，天然氣的正確計量是利益相關(guān)方的關(guān)注重點。渦輪流量計在使用中具有精度高、重復(fù)性好、壓損小等優(yōu)點。但是，在天然氣大流量管輸、天然氣大流量檢定站中，由于流體管輸變化、動力機械旋轉(zhuǎn)、調(diào)節(jié)閥的動作等，都可能產(chǎn)生脈動流，會對渦輪流量計現(xiàn)場應(yīng)用產(chǎn)生的測量誤差。
目前都聚焦正弦波脈動流對渦輪流量計的影響，關(guān)注脈動頻率和振幅，但是正弦波脈動流與實際脈動流之間存在較大區(qū)別，為了更好地實現(xiàn)脈動流修正，討論和分析脈動流影響渦輪流量計的關(guān)鍵要素是必要的。
為了獲取脈動流影響渦輪流量計的關(guān)鍵要素，利用CFD仿真，對比和分析正弦波以及方波脈動流對渦輪流量計影響的差異性，從流場速度以及葉輪所受剪切力兩個方面來探究差異性的來源所在。
1計算流體力學(xué)仿真方法
1.1模型建立及網(wǎng)格劃分
以1.5級DN50氣體渦輪流量計為原型，并對其進行仿真。其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1。建立仿真模型，對渦輪量計進行內(nèi)部流場的提取。前后直管段同軸安裝，前直管段長為10D，后直管段5D。前后直管段的網(wǎng)格尺寸為3mm,葉輪周圍的網(wǎng)格尺寸為1mm，導(dǎo)流片前后為1mm,葉輪邊沿的網(wǎng)格尺寸為0.2mm,對結(jié)構(gòu)邊緣及狹縫進行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為.262萬。
1.2邊界條件
入口采用速度入口條件(Velocit-inlet)，出口采用壓力出口條件(Pressure-outlet)，選擇渦輪流.量計的分界流量點進行數(shù)值仿真。該流量計的分界.流量點為20m3/h,換算平均入口流速為2.83m/s。出口壓力設(shè)置為0.5MPa。流體介質(zhì)為空氣，密度為1.225kg/m3，動力黏度為1.79X10-5kg/(m.s)。選擇的湍流模型為Realizablek-e模型。運動模型采用6DOF模型。
入口速度表達(dá)式如下所示：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中，V1，,V2-----分別為正弦波、方波速度入口的瞬時速度，m/s。
1.3儀表系數(shù)獲取方法及結(jié)果
仿真結(jié)束后，在葉輪的輪轂上取一個點P，通過后處理軟件，獲得葉輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的平均線速度速度vp,通過公式(3)可計算葉輪的轉(zhuǎn)速。
式中。n一葉輪轉(zhuǎn)速，單位:r/s;rp一點P繞X軸旋轉(zhuǎn)的半徑。
再由轉(zhuǎn)速n計算渦輪流量計的儀表系數(shù)K。折算后的儀表系數(shù)結(jié)果如表2所示，脈動流下的渦輪流量計存在著正誤差，相同振幅、頻率下，不同波形脈動流對渦輪流量計的影響依然存在差異性。
2流場速度分布
以5Hz不同波形脈動流作用的渦輪流量計流場對比分析。圖1所示為方波脈動流在四種振幅下對應(yīng)穩(wěn)定后一個周期T內(nèi)葉輪周圍的流場速度分布圖，從左到右時間點依次為0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波工況下，0T、0.25T時的流場速度明顯比0.5T、0.75T時的流場速度更快，隨著振幅的加大，0T.0.25T時的流場速度增大，而0.5T.0.75T時的流場速度則減慢。
對比兩種波形的速度分布圖，同振幅下的波峰時，方波工況下流場速度略大于正弦波工況，且方波的高流速持續(xù)時間比正弦波的高流速持續(xù)時間長。
3葉輪剪切應(yīng)力分布
圖3~圖4分別是5Hz時方波、正弦波脈動流下葉輪，所受力矩。除了流量突變點外，葉輪所受力矩與流量波形近似。
以5Hz不同波形脈動流作用的渦輪流量計葉輪所受剪切力對比分析。方波脈動流在四種振幅下穩(wěn)定后一個周期T內(nèi)，分析葉輪所受到的剪切應(yīng)力分布。葉輪的剪切應(yīng)力在0T、0.25T達(dá)到最大，隨著振幅增大而增大;在0.5T、0.75T時達(dá)到最小，隨著振幅的增大而減小。正弦波脈動流在四種振幅下穩(wěn)定后一個周期T內(nèi)，分析葉輪所受到的剪切應(yīng)力分布。在0T、0.5T時，葉輪所受應(yīng)力幾乎不隨振幅變化，在0.25T時即在波峰時的應(yīng)力隨著振幅加大而增加,在0.75T時隨著振幅增大而減小。
4總結(jié)與討論
對口徑為DN50的氣體渦輪流量計仿真建模，進行了一系列仿真實驗，以入口脈動流的波形、頻率、振幅為變量條件，完成了相關(guān)仿真實驗。通過仿真數(shù)據(jù)分析可知:
(1)脈動流作用下，渦輪流量計會出現(xiàn)正誤差。由流場速度分布、剪切應(yīng)力分布及葉輪所受到的力矩可以看出，葉輪轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定后，脈動作用過程中葉輪加速和減速時間幾乎相同，而相同流量的脈動流下的葉輪轉(zhuǎn)速比定常流下的高，表明加速過程響應(yīng)更快。即葉輪在加速過程中更為敏感，在相同流量升降情況下，流體流速上升時，葉輪轉(zhuǎn)速立馬上升，而流速下降時，葉輪轉(zhuǎn)速下降較緩慢或者延遲下降，從而使得脈動流下葉輪轉(zhuǎn)速高于定常流下的葉輪轉(zhuǎn)速，始終產(chǎn)生正誤差。
(2)相同頻率振幅下，不同波形的脈動流產(chǎn)生的誤差大小不同。方波脈動流對應(yīng)的誤差最大，其次是正弦波。通過速度分布圖可以看出，在相同頻率振幅的波峰時，方波脈動流下葉輪周圍的流場速度和應(yīng)力都要比其他兩種波形的脈動流更大。在方波作用下，一個周期內(nèi)葉輪被加速的時間更長，導(dǎo)致了相同頻率振幅下，方波工況下葉輪轉(zhuǎn)速比正弦波轉(zhuǎn)速更高。正弦波脈動下，葉輪轉(zhuǎn)速是漸變的，從而相比方波脈動的轉(zhuǎn)速略低。
(3)在方波脈動流工況下，葉輪受的到?jīng)_擊力更強，使葉輪有遭受物理破壞的可能性。針對脈動流對渦輪流量計的影響，應(yīng)該還是盡量從振源避免脈動流;在不能避免脈動流時，應(yīng)遠(yuǎn)離振源，或者是增加流動調(diào)整器，降低脈動頻率、振幅，盡量消除類似脈動突增，保護渦輪流量計、控制測量誤差;智能渦輪流量計，可以考慮在流量計的積算模塊增加脈動流修正公式，實現(xiàn)對渦輪流量計脈動流誤差的修正補償，保障流量計在有脈動流工況下的測量精度。
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