摘(zhāi)要:以dn50渦(wō)輪流量(liàng)計 爲例，采(cǎi)用cfd方法模(mó)拟了方波(bō)和正弦(xián)波兩種脈動流在渦輪(lún)流量計中的流(liú)動。發(fā)現在不同(tóng)波形、振(zhèn)幅、頻率下的(de)脈動流對(duì)渦輪流量計的影響具(jù)有差異(yì)性。各工(gōng)況(kuàng)下差(chà)異性的來源，從流場(chǎng)速度和葉輪所受剪切力(lì)，分析渦輪(lún)流量計在不同工況(kuàng)的脈動流下内(nèi)部流(liú)場的(de)變化。發現兩種脈動(dòng)流在(zài)同頻率同(tóng)振幅(fú)的波(bō)峰時(shí)，對比正(zhèng)弦波脈動流(liú)，方波脈動流下葉輪周圍(wéi)的流(liú)場(chǎng)速度(dù)更快，葉(yè)輪所(suǒ)受到(dào)的剪切(qiē)應力更大，持(chí)續時間長，力矩峰值(zhí)更大(dà)，這是(shì)造成方波(bō)誤差大的(de)根本(běn)原因。
0引(yǐn)言
　　天然(rán)氣作爲清潔高效的綠(lǜ)色(sè)能源(yuán)，已被廣(guǎng)泛應(yīng)用于人民生活和(hé)工業(yè)生産(chǎn)中，天然氣的正确計量是(shì)利益相關(guān)方的關注重點。渦輪(lún)流量計在(zài)使用中具有精(jīng)度高、重複(fú)性好、壓損小等優點(diǎn)。但是，在天然氣(qì)大流(liú)量管輸、天(tiān)然氣大流量檢(jiǎn)定站中(zhōng)，由于流(liú)體管輸變化、動力機(jī)械旋轉、調(diào)節閥的動作等(děng)，都可能(néng)産生脈(mò)動流，會對(duì)渦輪(lún)流(liú)量計現場應(yīng)用産生的(de)測量誤差。
　　目前(qián)都聚(jù)焦正弦波脈動流對(duì)渦輪(lún)流量(liàng)計的(de)影(yǐng)響，關注脈動(dòng)頻率和振(zhèn)幅，但是正弦波脈動流(liú)與實際(jì)脈動(dòng)流(liú)之(zhī)間存在較大區别，爲(wèi)了更好地實現(xiàn)脈動(dòng)流修正，讨(tǎo)論和(hé)分(fèn)析(xī)脈動(dòng)流影(yǐng)響渦輪流(liú)量計的關鍵要(yào)素是必要的(de)。
　　爲(wèi)了獲取脈(mò)動流(liú)影響(xiǎng)渦輪流量(liàng)計的關(guān)鍵(jiàn)要素(sù)，利用cfd仿真，對比(bǐ)和分(fèn)析(xī)正弦波(bō)以及方(fāng)波脈動(dòng)流對渦(wō)輪流量(liàng)計影響的差異(yì)性，從流場速度(dù)以及(jí)葉輪所受(shòu)剪切力兩個方(fāng)面來(lái)探究差異(yì)性的(de)來源(yuán)所在。
1計算(suàn)流體力學(xué)仿真方法(fǎ)
1.1模型建立(lì)及網(wǎng)格劃分
　　以1.5級dn50氣(qì)體渦輪流(liú)量計爲原(yuán)型，并對其進行(háng)仿真(zhēn)。其内部(bù)基(jī)本結構(gòu)參(cān)數詳(xiáng)見表1。建(jiàn)立仿真(zhēn)模型，對(duì)渦(wō)輪量(liàng)計進(jìn)行内部流(liú)場的提取(qǔ)。前後(hòu)直管(guǎn)段同(tóng)軸安(ān)裝，前(qián)直(zhí)管段長爲10d，後(hòu)直管段5d。前(qián)後直管(guǎn)段(duàn)的網(wǎng)格尺寸(cùn)爲3mm,葉輪(lún)周圍的網格尺(chǐ)寸爲(wèi)1mm，導流片前後爲1mm,葉輪邊沿的網格尺寸爲(wèi)0.2mm,對結構(gòu)邊緣及(jí)狹縫進行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)爲.262萬。
1.2邊界條件
　　入口采用(yòng)速度(dù)入口條(tiáo)件(velocit-inlet)，出口(kǒu)采用壓力出口(kǒu)條件(pressure-outlet)，選擇渦輪(lún)流.量(liàng)計的分界(jiè)流量(liàng)點(diǎn)進行數(shù)值仿(páng)真(zhēn)。該(gāi)流量(liàng)計的(de)分界.流量(liàng)點爲20m3/h,換算平均入口(kǒu)流速爲2.83m/s。出(chū)口壓力設(shè)置爲(wèi)0.5mpa。流體介(jiè)質爲空(kōng)氣，密(mì)度爲(wèi)1.225kg/m3，動力黏度爲(wèi)1.79x10-5kg/(m.s)。選(xuǎn)擇的湍流模型(xíng)爲realizablek-e模(mó)型。運動模型采(cǎi)用6dof模(mó)型。
 
 

入(rù)口(kǒu)速(sù)度表(biǎo)達式如下(xià)所示：
v1=2.83+asin(2πƒt)(1)
v2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中，v1，,v2-----分别爲正(zhèng)弦波、方波(bō)速度入(rù)口的瞬(shùn)時速度(dù)，m/s。
1.3儀(yí)表系(xì)數獲取(qǔ)方法及(jí)結果
　　仿真結束(shù)後，在(zài)葉輪(lún)的輪(lún)毂上取一個點(diǎn)p，通過後處(chù)理(lǐ)軟(ruǎn)件，獲(huò)得(dé)葉輪旋轉穩定(dìng)後的平均線(xiàn)速度速度vp,通過(guò)公式(shì)(3)可計(jì)算葉輪(lún)的轉速(sù)。
 
式中。n一葉輪轉(zhuǎn)速，單位(wèi):r/s;rp一點p繞(rào)x軸旋轉的(de)半徑(jìng)。
　　再由(yóu)轉(zhuǎn)速(sù)n計算(suàn)渦輪流(liú)量計的儀表(biǎo)系數(shù)k。折算(suàn)後的儀表系數(shù)結果(guǒ)如表2所示(shì)，脈動流下的渦(wō)輪流量計存在(zài)着正誤差，相同振幅(fú)、頻率下，不(bú)同波形(xíng)脈動流對渦輪(lún)流量計(jì)的影(yǐng)響(xiǎng)依然存在差異性(xìng)。
2流場(chǎng)速度分布
　　以5hz不同波(bō)形(xíng)脈動流(liú)作用的(de)渦(wō)輪流(liú)量計(jì)流(liú)場對比(bǐ)分析。圖(tú)1所(suǒ)示爲方波脈動流在(zài)四種(zhǒng)振幅下對應穩(wěn)定後(hòu)一個(gè)周期(qī)t内(nèi)葉(yè)輪周(zhōu)圍的(de)流場速度(dù)分布圖，從左到右時(shí)間(jiān)點依次(cì)爲0t、0.25t、0.5t、0.75t。在方波工況(kuàng)下，0t、0.25t時(shí)的流(liú)場速(sù)度明(míng)顯比(bǐ)0.5t、0.75t時的流場(chǎng)速度(dù)更快，随着振(zhèn)幅(fú)的加(jiā)大，0t.0.25t時的流(liú)場速(sù)度增大，而0.5t.0.75t時(shí)的流場(chǎng)速度(dù)則減慢。
　　對(duì)比(bǐ)兩種波(bō)形的速(sù)度分布(bù)圖，同振幅下的(de)波峰(fēng)時，方(fāng)波工(gōng)況下(xià)流場(chǎng)速度略大(dà)于(yú)正弦波工況，且方(fāng)波的高流(liú)速(sù)持(chí)續時(shí)間比正弦波(bō)的(de)高流速持續時(shí)間長。
 
3葉(yè)輪(lún)剪切應力(lì)分布
　　圖3~圖(tú)4分(fèn)别是5hz時方波(bō)、正弦波脈動流下葉輪，所(suǒ)受力矩。除(chú)了流(liú)量突(tū)變點外，葉輪所(suǒ)受力矩與(yǔ)流量(liàng)波形(xíng)近似(sì)。
　　以(yǐ)5hz不同波形脈動流作用的(de)渦(wō)輪流(liú)量計(jì)葉輪(lún)所受剪切力對比分(fèn)析。方(fāng)波(bō)脈動流(liú)在四種振幅下穩定後一個周(zhōu)期t内，分析葉輪(lún)所(suǒ)受到的剪切(qiē)應力分(fèn)布。葉(yè)輪的剪(jiǎn)切應力在(zài)0t、0.25t達到最大，随着振幅(fú)增大而增(zēng)大(dà);在(zài)0.5t、0.75t時達到最小，随(suí)着振幅(fú)的(de)增大而減(jiǎn)小。正(zhèng)弦波脈動流在(zài)四種(zhǒng)振幅(fú)下穩定後一個周期(qī)t内，分析葉輪所(suǒ)受到的剪(jiǎn)切應力分布。在0t、0.5t時，葉(yè)輪所(suǒ)受(shòu)應力幾(jǐ)乎(hū)不随(suí)振幅變(biàn)化，在(zài)0.25t時即在波(bō)峰時的應(yīng)力随(suí)着振(zhèn)幅(fú)加大而(ér)增加,在0.75t時随着(zhe)振(zhèn)幅(fú)增(zēng)大而減(jiǎn)小。
4總結與(yǔ)讨論
　　對口(kǒu)徑(jìng)爲dn50的氣(qì)體渦輪流量計仿真建模，進行(háng)了一系(xì)列仿真(zhēn)實驗(yàn)，以入口(kǒu)脈(mò)動流(liú)的波形、頻(pín)率、振幅(fú)爲變量(liàng)條件，完成(chéng)了相(xiàng)關仿(páng)真實(shí)驗。通(tōng)過仿真數據(jù)分析可知:
(1)脈動流(liú)作用下(xià)，渦(wō)輪流(liú)量計(jì)會出現正誤(wù)差。由流(liú)場速(sù)度分布、剪切應(yīng)力分布及葉輪(lún)所受(shòu)到(dào)的力矩可以(yǐ)看出，葉輪轉速(sù)相對穩定(dìng)後，脈動作用過(guò)程中葉輪(lún)加速(sù)和減速時間幾(jǐ)乎相(xiàng)同，而相同(tóng)流量的脈動流(liú)下的葉輪轉(zhuǎn)速比定常流(liú)下的高，表(biǎo)明加速過(guò)程響(xiǎng)應(yīng)更(gèng)快。即(jí)葉輪(lún)在加速過(guò)程中(zhōng)更(gèng)爲敏感(gǎn)，在相(xiàng)同流(liú)量升(shēng)降情況(kuàng)下，流體流速上升時，葉(yè)輪轉速立(lì)馬上(shàng)升，而(ér)流速下(xià)降(jiàng)時，葉(yè)輪轉速下(xià)降較緩慢或者(zhě)延遲下降，從而使得(dé)脈(mò)動流下(xià)葉輪(lún)轉(zhuǎn)速(sù)高于(yú)定常流(liú)下(xià)的葉(yè)輪轉(zhuǎn)速(sù)，始終産(chǎn)生正(zhèng)誤差(chà)。

 
(2)相同(tóng)頻率(lǜ)振幅下，不同波形的脈動流産生的誤差大小不同。方波(bō)脈動流(liú)對應的(de)誤差(chà)最(zuì)大，其次(cì)是正弦波(bō)。通過(guò)速度(dù)分布(bù)圖可(kě)以看出，在相同頻率(lǜ)振幅的波(bō)峰時，方波(bō)脈動(dòng)流下(xià)葉輪周圍(wéi)的流場速(sù)度和(hé)應力都要(yào)比其(qí)他兩種波(bō)形的(de)脈動(dòng)流更大。在(zài)方波作用(yòng)下，一個周期(qī)内葉輪(lún)被加速的(de)時間更長，導(dǎo)緻了相同頻率(lǜ)振幅下(xià)，方波工況(kuàng)下(xià)葉輪轉(zhuǎn)速比正弦(xián)波轉速更高。正(zhèng)弦波脈動下，葉(yè)輪轉(zhuǎn)速是漸變(biàn)的，從而相比方(fāng)波脈(mò)動(dòng)的轉速(sù)略低。
(3)在(zài)方波脈動流工況(kuàng)下，葉(yè)輪受的到(dào)沖擊力更強(qiáng)，使葉(yè)輪(lún)有遭(zāo)受物理破(pò)壞的可能性。針(zhēn)對脈(mò)動流對渦(wō)輪(lún)流(liú)量計的影(yǐng)響，應(yīng)該還(hái)是盡(jìn)量從振(zhèn)源避免脈動流;在不能避免(miǎn)脈(mò)動(dòng)流時(shí)，應遠離(lí)振源，或者是(shì)增加流動(dòng)調整器，降(jiàng)低脈(mò)動頻率、振幅，盡(jìn)量消(xiāo)除類似脈動突增(zēng)，保護渦(wō)輪流(liú)量計、控制(zhì)測量誤差(chà);智能渦輪(lún)流量計，可(kě)以考(kǎo)慮在流量(liàng)計的積(jī)算模塊(kuài)增加脈動流修(xiū)正公式，實(shí)現對渦輪(lún)流(liú)量計脈(mò)動流(liú)誤差的修正補償，保障流(liú)量計在有(yǒu)脈(mò)動(dòng)流工(gōng)況下的測(cè)量精度。

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