摘要:以DN50渦輪流量計(jì)為例，采用CFD方法模擬了方波和正弦波兩種脈動(dòng)流在渦輪流量計(jì)中的流動(dòng)。發(fā)現(xiàn)在不同波形、振幅、頻率下的脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)的影響具有差異性。各工況下差異性的來(lái)源，從流場(chǎng)速度和葉輪所受剪切力，分析渦輪流量計(jì)在不同工況的脈動(dòng)流下內(nèi)部流場(chǎng)的變化。發(fā)現(xiàn)兩種脈動(dòng)流在同頻率同振幅的波峰時(shí)，對(duì)比正弦波脈動(dòng)流，方波脈動(dòng)流下葉輪周圍的流場(chǎng)速度更快，葉輪所受到的剪切應(yīng)力更大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，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(jì)量是利益相關(guān)方的關(guān)注重點(diǎn)。渦輪流量計(jì)在使用中具有精度高、重復(fù)性好、壓損小等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)力機(jī)械旋轉(zhuǎn)、調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作等，都可能產(chǎn)生脈動(dòng)流，會(huì)對(duì)渦輪流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用產(chǎn)生的測(cè)量誤差。
目前都聚焦正弦波脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)的影響，關(guān)注脈動(dòng)頻率和振幅，但是正弦波脈動(dòng)流與實(shí)際脈動(dòng)流之間存在較大區(qū)別，為了更好地實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)流修正，討論和分析脈動(dòng)流影響渦輪流量計(jì)的關(guān)鍵要素是必要的。
為了獲取脈動(dòng)流影響渦輪流量計(jì)的關(guān)鍵要素，利用CFD仿真，對(duì)比和分析正弦波以及方波脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)影響的差異性，從流場(chǎng)速度以及葉輪所受剪切力兩個(gè)方面來(lái)探究差異性的來(lái)源所在。
1計(jì)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(jí)DN50氣體渦輪流量計(jì)為原型，并對(duì)其進(jìn)行仿真。其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表1。建立仿真模型，對(duì)渦輪量計(jì)進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)的提取。前后直管段同軸安裝，前直管段長(zhǎng)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(duì)結(jié)構(gòu)邊緣及狹縫進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為.262萬(wàn)。
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(jì)的分界流量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值仿真。該流量計(jì)的分界.流量點(diǎn)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(dòng)力黏度為1.79X10-5kg/(m.s)。選擇的湍流模型為Realizablek-e模型。運(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)點(diǎn)P，通過(guò)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(guò)公式(3)可計(jì)算葉輪的轉(zhuǎn)速。
式中。n一葉輪轉(zhuǎn)速，單位:r/s;rp一點(diǎn)P繞X軸旋轉(zhuǎn)的半徑。
再由轉(zhuǎn)速n計(jì)算渦輪流量計(jì)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(dòng)流下的渦輪流量計(jì)存在著正誤差，相同振幅、頻率下，不同波形脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)的影響依然存在差異性。
2流場(chǎng)速度分布
以5Hz不同波形脈動(dòng)流作用的渦輪流量計(jì)流場(chǎng)對(duì)比分析。圖1所示為方波脈動(dòng)流在四種振幅下對(duì)應(yīng)穩(wěn)定后一個(gè)周期T內(nèi)葉輪周圍的流場(chǎng)速度分布圖，從左到右時(shí)間點(diǎn)依次為0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波工況下，0T、0.25T時(shí)的流場(chǎng)速度明顯比0.5T、0.75T時(shí)的流場(chǎng)速度更快，隨著振幅的加大，0T.0.25T時(shí)的流場(chǎng)速度增大，而0.5T.0.75T時(shí)的流場(chǎng)速度則減慢。
對(duì)比兩種波形的速度分布圖，同振幅下的波峰時(shí)，方波工況下流場(chǎng)速度略大于正弦波工況，且方波的高流速持續(xù)時(shí)間比正弦波的高流速持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。
3葉輪剪切應(yīng)力分布
圖3~圖4分別是5Hz時(shí)方波、正弦波脈動(dòng)流下葉輪，所受力矩。除了流量突變點(diǎn)外，葉輪所受力矩與流量波形近似。
以5Hz不同波形脈動(dòng)流作用的渦輪流量計(jì)葉輪所受剪切力對(duì)比分析。方波脈動(dòng)流在四種振幅下穩(wěn)定后一個(gè)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(shí)達(dá)到最小，隨著振幅的增大而減小。正弦波脈動(dòng)流在四種振幅下穩(wěn)定后一個(gè)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(shí)，葉輪所受應(yīng)力幾乎不隨振幅變化，在0.25T時(shí)即在波峰時(shí)的應(yīng)力隨著振幅加大而增加,在0.75T時(shí)隨著振幅增大而減小。
4總結(jié)與討論
對(duì)口徑為DN50的氣體渦輪流量計(jì)仿真建模，進(jìn)行了一系列仿真實(shí)驗(yàn)，以入口脈動(dòng)流的波形、頻率、振幅為變量條件，完成了相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)分析可知:
(1)脈動(dòng)流作用下，渦輪流量計(jì)會(huì)出現(xiàn)正誤差。由流場(chǎng)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(duì)穩(wěn)定后，脈動(dòng)作用過(guò)程中葉輪加速和減速時(shí)間幾乎相同，而相同流量的脈動(dòng)流下的葉輪轉(zhuǎn)速比定常流下的高，表明加速過(guò)程響應(yīng)更快。即葉輪在加速過(guò)程中更為敏感，在相同流量升降情況下，流體流速上升時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速立馬上升，而流速下降時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速下降較緩慢或者延遲下降，從而使得脈動(dòng)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(dòng)流產(chǎn)生的誤差大小不同。方波脈動(dòng)流對(duì)應(yīng)的誤差最大，其次是正弦波。通過(guò)速度分布圖可以看出，在相同頻率振幅的波峰時(shí)，方波脈動(dòng)流下葉輪周圍的流場(chǎng)速度和應(yīng)力都要比其他兩種波形的脈動(dòng)流更大。在方波作用下，一個(gè)周期內(nèi)葉輪被加速的時(shí)間更長(zhǎng)，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(dòng)下，葉輪轉(zhuǎn)速是漸變的，從而相比方波脈動(dòng)的轉(zhuǎn)速略低。
(3)在方波脈動(dòng)流工況下，葉輪受的到?jīng)_擊力更強(qiáng)，使葉輪有遭受物理破壞的可能性。針對(duì)脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)的影響，應(yīng)該還是盡量從振源避免脈動(dòng)流;在不能避免脈動(dòng)流時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)離振源，或者是增加流動(dòng)調(diào)整器，降低脈動(dòng)頻率、振幅，盡量消除類似脈動(dòng)突增，保護(hù)渦輪流量計(jì)、控制測(cè)量誤差;智能渦輪流量計(jì)，可以考慮在流量計(jì)的積算模塊增加脈動(dòng)流修正公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪流量計(jì)脈動(dòng)流誤差的修正補(bǔ)償，保障流量計(jì)在有脈動(dòng)流工況下的測(cè)量精度。
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