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力分布。葉輪的剪切應力在0T、0.25T達到最大，隨著振幅增大而增大;在0.5T、0.75T時達到最小，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力分布。在0T、0.5T時，葉輪所受應力幾乎不隨振幅變化，在0.25T時即在波峰時的應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，應該還是盡量從振源避免脈動流;在不能避免脈動流時，應遠離振源，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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