摘要:以DN50涡轮流量计为例，采用CFD方法模拟了方波和正弦波两种脉动流在涡轮流量计中的流动。发现在不同波形、振幅、频率下的脉动流对涡轮流量计的影响具有差异性。各工况下差异性的来源，从流场速度和叶轮所受剪切力，分析涡轮流量计在不同工况的脉动流下内部流场的变化。发现两种脉动流在同频率同振幅的波峰时，对比正弦波脉动流，方波脉动流下叶轮周围的流场速度更快，叶轮所受到的剪切应力更大，持续时间长，力矩峰值更大，这是造成方波误差大的根本原因。
0引言
　　天然气作为清洁高效的绿色能源，已被广泛应用于人民生活和工业生产中，天然气的正确计量是利益相关方的关注重点。涡轮流量计在使用中具有精度高、重复性好、压损小等优点。但是，在天然气大流量管输、天然气大流量检定站中，由于流体管输变化、动力机械旋转、调节阀的动作等，都可能产生脉动流，会对涡轮流量计现场应用产生的测量误差。
　　目前都聚焦正弦波脉动流对涡轮流量计的影响，关注脉动频率和振幅，但是正弦波脉动流与实际脉动流之间存在较大区别，为了更好地实现脉动流修正，讨论和分析脉动流影响涡轮流量计的关键要素是必要的。
　　为了获取脉动流影响涡轮流量计的关键要素，利用CFD仿真，对比和分析正弦波以及方波脉动流对涡轮流量计影响的差异性，从流场速度以及叶轮所受剪切力两个方面来探究差异性的来源所在。
1计算流体力学仿真方法
1.1模型建立及网格划分
　　以1.5级DN50气体涡轮流量计为原型，并对其进行仿真。其内部基本结构参数详见表1。建立仿真模型，对涡轮量计进行内部流场的提取。前后直管段同轴安装，前直管段长为10D，后直管段5D。前后直管段的网格尺寸为3mm,叶轮周围的网格尺寸为1mm，导流片前后为1mm,叶轮边沿的网格尺寸为0.2mm,对结构边缘及狭缝进行加密处理，网格总数为.262万。
1.2边界条件
　　入口采用速度入口条件(Velocit-inlet)，出口采用压力出口条件(Pressure-outlet)，选择涡轮流.量计的分界流量点进行数值仿真。该流量计的分界.流量点为20m3/h,换算平均入口流速为2.83m/s。出口压力设置为0.5MPa。流体介质为空气，密度为1.225kg/m3，动力黏度为1.79X10-5kg/(m.s)。选择的湍流模型为Realizablek-e模型。运动模型采用6DOF模型。
 
 

入口速度表达式如下所示：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中，V1，,V2-----分别为正弦波、方波速度入口的瞬时速度，m/s。
1.3仪表系数获取方法及结果
　　仿真结束后，在叶轮的轮毂上取一个点P，通过后处理软件，获得叶轮旋转稳定后的平均线速度速度vp,通过公式(3)可计算叶轮的转速。
 
式中。n一叶轮转速，单位:r/s;rp一点P绕X轴旋转的半径。
　　再由转速n计算涡轮流量计的仪表系数K。折算后的仪表系数结果如表2所示，脉动流下的涡轮流量计存在着正误差，相同振幅、频率下，不同波形脉动流对涡轮流量计的影响依然存在差异性。
2流场速度分布
　　以5Hz不同波形脉动流作用的涡轮流量计流场对比分析。图1所示为方波脉动流在四种振幅下对应稳定后一个周期T内叶轮周围的流场速度分布图，从左到右时间点依次为0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波工况下，0T、0.25T时的流场速度明显比0.5T、0.75T时的流场速度更快，随着振幅的加大，0T.0.25T时的流场速度增大，而0.5T.0.75T时的流场速度则减慢。
　　对比两种波形的速度分布图，同振幅下的波峰时，方波工况下流场速度略大于正弦波工况，且方波的高流速持续时间比正弦波的高流速持续时间长。
 
3叶轮剪切应力分布
　　图3~图4分别是5Hz时方波、正弦波脉动流下叶轮，所受力矩。除了流量突变点外，叶轮所受力矩与流量波形近似。
　　以5Hz不同波形脉动流作用的涡轮流量计叶轮所受剪切力对比分析。方波脉动流在四种振幅下稳定后一个周期T内，分析叶轮所受到的剪切应力分布。叶轮的剪切应力在0T、0.25T达到最大，随着振幅增大而增大;在0.5T、0.75T时达到最小，随着振幅的增大而减小。正弦波脉动流在四种振幅下稳定后一个周期T内，分析叶轮所受到的剪切应力分布。在0T、0.5T时，叶轮所受应力几乎不随振幅变化，在0.25T时即在波峰时的应力随着振幅加大而增加,在0.75T时随着振幅增大而减小。
4总结与讨论
　　对口径为DN50的气体涡轮流量计仿真建模，进行了一系列仿真实验，以入口脉动流的波形、频率、振幅为变量条件，完成了相关仿真实验。通过仿真数据分析可知:
(1)脉动流作用下，涡轮流量计会出现正误差。由流场速度分布、剪切应力分布及叶轮所受到的力矩可以看出，叶轮转速相对稳定后，脉动作用过程中叶轮加速和减速时间几乎相同，而相同流量的脉动流下的叶轮转速比定常流下的高，表明加速过程响应更快。即叶轮在加速过程中更为敏感，在相同流量升降情况下，流体流速上升时，叶轮转速立马上升，而流速下降时，叶轮转速下降较缓慢或者延迟下降，从而使得脉动流下叶轮转速高于定常流下的叶轮转速，始终产生正误差。

 
(2)相同频率振幅下，不同波形的脉动流产生的误差大小不同。方波脉动流对应的误差最大，其次是正弦波。通过速度分布图可以看出，在相同频率振幅的波峰时，方波脉动流下叶轮周围的流场速度和应力都要比其他两种波形的脉动流更大。在方波作用下，一个周期内叶轮被加速的时间更长，导致了相同频率振幅下，方波工况下叶轮转速比正弦波转速更高。正弦波脉动下，叶轮转速是渐变的，从而相比方波脉动的转速略低。
(3)在方波脉动流工况下，叶轮受的到冲击力更强，使叶轮有遭受物理破坏的可能性。针对脉动流对涡轮流量计的影响，应该还是尽量从振源避免脉动流;在不能避免脉动流时，应远离振源，或者是增加流动调整器，降低脉动频率、振幅，尽量消除类似脉动突增，保护涡轮流量计、控制测量误差;智能涡轮流量计，可以考虑在流量计的积算模块增加脉动流修正公式，实现对涡轮流量计脉动流误差的修正补偿，保障流量计在有脉动流工况下的测量精度。

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