摘要:以(yi)DN50渦輪流量(liang)計
爲例(li)，采用CFD方法模拟了(le)方波(bo)和正弦(xian)波兩種(zhong)脈動(dong)流在渦輪(lun)流量計(ji)中(zhong)的流(liu)動。發(fa)現(xian)在不同(tong)波形、振幅、頻率(lü)下的(de)脈動(dong)流對(dui)渦輪流(liu)量(liang)計的影響(xiang)具有差異(yi)性。各(ge)工(gong)況(kuang)下差(cha)異性的來(lai)源，從(cong)流場速(su)度和葉輪所(suo)受剪(jian)切力(li)，分析渦輪(lun)流量計在(zai)不同工況(kuang)的脈動(dong)流下内(nei)部流場的變化(hua)。發現兩種(zhong)脈動(dong)流在(zai)同(tong)頻(pin)率同(tong)振幅(fu)的波(bo)峰時，對比(bi)正弦波脈(mo)動流(liu)，方波(bo)脈動(dong)流下葉輪周圍(wei)的流場(chang)速(su)度更(geng)快，葉輪所(suo)受到(dao)的剪(jian)切(qie)應(ying)力更(geng)大，持續時間長(zhang)，力矩峰(feng)值(zhi)更大(da)，這是造(zao)成方波(bo)誤差(cha)大的(de)根本(ben)原因(yin)。
0引言
天然(ran)氣作爲清(qing)潔高效的(de)綠色(se)能源(yuan)，已被(bei)廣(guang)泛應用(yong)于人(ren)民生活和(he)工業生産(chan)中，天(tian)然氣的正确計(ji)量是(shi)利益(yi)相關方的(de)關注(zhu)重點(dian)。渦輪流量(liang)計在(zai)使用(yong)中(zhong)具有精(jing)度高、重(zhong)複性好、壓損(sun)小等優點(dian)。但是(shi)，在天然氣大流(liu)量管輸、天(tian)然氣大(da)流(liu)量檢定站(zhan)中(zhong)，由于流(liu)體管(guan)輸(shu)變化、動力機(ji)械(xie)旋轉、調(diao)節閥(fa)的(de)動(dong)作等(deng)，都可(ke)能産生脈(mo)動流，會對(dui)渦輪(lun)流量計現場應(ying)用産生的測量(liang)誤差(cha)。
目(mu)前都聚(ju)焦正(zheng)弦(xian)波(bo)脈動(dong)流對(dui)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)影響(xiang)，關注脈動(dong)頻率和振(zhen)幅，但是(shi)正弦波(bo)脈動(dong)流與實際(ji)脈動(dong)流之間存(cun)在較(jiao)大區别，爲(wei)了更(geng)好(hao)地(di)實現(xian)脈動(dong)流修正，讨(tao)論和分析脈動(dong)流影(ying)響渦輪流(liu)量計的關(guan)鍵要(yao)素是(shi)必要的。
爲(wei)了獲取脈動流(liu)影響(xiang)渦(wo)輪流量(liang)計的關鍵要素，利用(yong)CFD仿真，對比(bi)和分析正弦波(bo)以及(ji)方(fang)波脈動(dong)流對(dui)渦輪(lun)流量計影(ying)響(xiang)的(de)差異(yi)性，從(cong)流(liu)場(chang)速度以及(ji)葉(ye)輪所受(shou)剪切力(li)兩個方面來探(tan)究差異(yi)性的來源所在(zai)。
1計算(suan)流體力學(xue)仿真方法(fa)
1.1模型(xing)建立(li)及(ji)網格劃(hua)分
以(yi)1.5級DN50氣(qi)體渦(wo)輪流量計(ji)爲原(yuan)型，并對其(qi)進行仿真(zhen)。其内(nei)部基(ji)本結(jie)構(gou)參數詳見表1。建立(li)仿真(zhen)模型(xing)，對渦(wo)輪量(liang)計進(jin)行(hang)内(nei)部流(liu)場的(de)提(ti)取(qu)。前後直管段同(tong)軸安(an)裝，前直(zhi)管(guan)段長爲10D，後直(zhi)管段5D。前(qian)後直(zhi)管段(duan)的網(wang)格尺寸(cun)爲3mm,葉輪(lun)周圍的(de)網格尺(chi)寸爲(wei)1mm，導流(liu)片前(qian)後爲(wei)1mm,葉(ye)輪(lun)邊沿(yan)的網(wang)格尺寸爲(wei)0.2mm,對結構邊緣及(ji)狹縫進行加密(mi)處理，網格總數(shu)爲.262萬(wan)。
1.2邊(bian)界條件(jian)
入口采用速度入口(kou)條件(Velocit-inlet)，出口(kou)采用(yong)壓力(li)出口(kou)條件(jian)(Pressure-outlet)，選擇渦輪(lun)流.量計的分界(jie)流量(liang)點進行數(shu)值仿真。該(gai)流量計的(de)分界.流量(liang)點爲20m3/h,換(huan)算(suan)平均(jun)入口(kou)流速爲2.83m/s。出(chu)口壓力(li)設(she)置爲0.5MPa。流體(ti)介質(zhi)爲空(kong)氣，密度(du)爲1.225kg/m3，動力(li)黏度(du)爲(wei)1.79X10-5kg/(m.s)。選擇的(de)湍流模型爲Realizablek-e模(mo)型。運(yun)動模(mo)型采(cai)用6DOF模(mo)型。
入(ru)口速(su)度表達(da)式如下(xia)所示：
V1=2.83+asin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)[2ft](2)
式中(zhong)，V1，,V2-----分别爲正(zheng)弦波、方波(bo)速度入(ru)口(kou)的瞬(shun)時速(su)度，m/s。
1.3儀(yi)表系(xi)數獲取方(fang)法及結果(guo)
仿(pang)真結束(shu)後，在葉輪(lun)的輪(lun)毂上(shang)取(qu)一個點(dian)P，通過後處(chu)理軟件，獲得(de)葉輪旋(xuan)轉穩(wen)定(ding)後的平均線速(su)度速度(du)vp,通過公(gong)式(shi)(3)可計(ji)算葉(ye)輪的轉速(su)。
式中(zhong)。n一葉輪轉(zhuan)速，單(dan)位:r/s;rp一(yi)點P繞(rao)X軸旋(xuan)轉的(de)半徑(jing)。
再由(you)轉速n計算(suan)渦輪流量(liang)計的(de)儀表系(xi)數K。折算(suan)後的(de)儀表(biao)系數(shu)結果(guo)如表2所示(shi)，脈動流下(xia)的渦(wo)輪流量計(ji)存在(zai)着正(zheng)誤差(cha)，相同振幅、頻率下，不(bu)同波形脈(mo)動流(liu)對渦(wo)輪流量計(ji)的影(ying)響依(yi)然存在差(cha)異(yi)性。
2流場(chang)速度分(fen)布(bu)
以5Hz不(bu)同波(bo)形脈動流(liu)作用的渦(wo)輪流(liu)量計(ji)流場對比(bi)分析(xi)。圖1所(suo)示爲(wei)方波(bo)脈動流在(zai)四種振幅(fu)下對(dui)應穩定(ding)後一個(ge)周期(qi)T内(nei)葉(ye)輪周(zhou)圍的(de)流(liu)場速度(du)分布圖(tu)，從左到(dao)右時(shi)間(jian)點依次(ci)爲0T、0.25T、0.5T、0.75T。在方波工況下，0T、0.25T時的(de)流場速(su)度明顯比(bi)0.5T、0.75T時的(de)流場(chang)速度更快(kuai)，随着振幅的加大，0T.0.25T時的(de)流場速(su)度增大(da)，而(er)0.5T.0.75T時的(de)流場(chang)速度則減(jian)慢。
對比兩種波形的速度分布(bu)圖，同振幅(fu)下的(de)波峰(feng)時，方波工(gong)況下流場(chang)速度略大(da)于正弦波(bo)工況，且方(fang)波的(de)高流速持(chi)續時(shi)間比(bi)正(zheng)弦(xian)波的(de)高流(liu)速持(chi)續時(shi)間長。
3葉輪(lun)剪切(qie)應力分布
圖3~圖(tu)4分别(bie)是(shi)5Hz時方波(bo)、正弦波脈動流(liu)下葉輪，所受力(li)矩。除(chu)了流(liu)量突(tu)變點(dian)外(wai)，葉輪所(suo)受力矩與(yu)流量(liang)波形(xing)近似。
以5Hz不同波(bo)形脈動流(liu)作用的渦(wo)輪流(liu)量計葉(ye)輪(lun)所受(shou)剪切力對(dui)比分(fen)析。方(fang)波脈動流(liu)在四種振(zhen)幅下穩定(ding)後(hou)一個周(zhou)期T内，分析(xi)葉輪(lun)所受(shou)到(dao)的剪切(qie)應力分布(bu)。葉輪(lun)的剪(jian)切應力在(zai)0T、0.25T達到最大(da)，随着(zhe)振幅(fu)增大而增(zeng)大;在0.5T、0.75T時達到最(zui)小，随着振幅的(de)增大(da)而減(jian)小。正(zheng)弦波(bo)脈動流在(zai)四種振幅(fu)下穩(wen)定後(hou)一個周期(qi)T内，分析(xi)葉輪所(suo)受到(dao)的剪切應(ying)力分(fen)布。在0T、0.5T時，葉(ye)輪所(suo)受(shou)應(ying)力幾(ji)乎不(bu)随振(zhen)幅變(bian)化，在(zai)0.25T時(shi)即在波(bo)峰時的應(ying)力随着振(zhen)幅加大而(er)增加,在0.75T時随着(zhe)振幅增大(da)而減(jian)小。
4總(zong)結與讨論
對口(kou)徑爲(wei)DN50的氣(qi)體渦輪流(liu)量計(ji)仿真(zhen)建模(mo)，進行(hang)了一(yi)系列(lie)仿真(zhen)實驗(yan)，以入口脈(mo)動流的(de)波形、頻(pin)率、振(zhen)幅爲(wei)變量(liang)條件(jian)，完成(cheng)了相(xiang)關仿(pang)真實驗。通(tong)過仿真(zhen)數(shu)據分析可知:
(1)脈動流(liu)作用下，渦輪流量計會(hui)出現正(zheng)誤差。由(you)流(liu)場速(su)度分布、剪切應(ying)力分布(bu)及(ji)葉輪(lun)所受到(dao)的(de)力矩(ju)可以看(kan)出(chu)，葉輪轉速相對(dui)穩定(ding)後，脈動作(zuo)用過(guo)程中(zhong)葉(ye)輪加速(su)和減速時間幾乎相同(tong)，而(er)相同(tong)流量(liang)的(de)脈(mo)動流下的葉輪(lun)轉速(su)比定常流下的高，表(biao)明加(jia)速過(guo)程響應(ying)更(geng)快。即葉輪(lun)在加速過(guo)程中(zhong)更(geng)爲(wei)敏感(gan)，在相同流(liu)量升(sheng)降情(qing)況下(xia)，流體流速(su)上(shang)升(sheng)時，葉(ye)輪轉速立馬上升，而(er)流速下降(jiang)時，葉輪轉(zhuan)速下(xia)降較(jiao)緩慢或者(zhe)延遲(chi)下降，從而使得脈(mo)動流下(xia)葉輪(lun)轉(zhuan)速高于(yu)定常(chang)流下(xia)的葉(ye)輪轉速(su)，始終産生正(zheng)誤(wu)差。
(2)相同(tong)頻率振(zhen)幅下，不(bu)同波(bo)形的(de)脈動(dong)流産生(sheng)的(de)誤差(cha)大小(xiao)不同(tong)。方波(bo)脈動流對(dui)應的誤差最(zui)大，其次(ci)是正弦(xian)波(bo)。通過(guo)速度(du)分(fen)布圖可(ke)以看出，在(zai)相同(tong)頻率振(zhen)幅的波(bo)峰時，方波(bo)脈動(dong)流下葉輪周圍(wei)的流(liu)場速(su)度和應力(li)都(dou)要(yao)比其(qi)他兩種(zhong)波(bo)形的(de)脈動流(liu)更大。在(zai)方波作用(yong)下，一(yi)個周期(qi)内(nei)葉輪(lun)被加速的時間(jian)更長，導緻了相(xiang)同頻率振(zhen)幅下，方波工(gong)況(kuang)下葉(ye)輪轉速比正弦(xian)波轉(zhuan)速更高。正(zheng)弦波脈(mo)動(dong)下，葉(ye)輪轉(zhuan)速是漸變(bian)的，從而相比方(fang)波脈(mo)動的轉速(su)略低。
(3)在(zai)方(fang)波脈(mo)動流工況(kuang)下，葉(ye)輪受(shou)的到沖擊(ji)力更(geng)強，使葉輪(lun)有遭受物(wu)理破(po)壞的(de)可能性。針(zhen)對脈動流(liu)對渦輪流(liu)量計(ji)的影(ying)響，應該(gai)還(hai)是盡(jin)量從(cong)振源避免(mian)脈動流;在(zai)不能(neng)避免脈動(dong)流時(shi)，應遠(yuan)離(li)振源，或者是增(zeng)加(jia)流動(dong)調整(zheng)器，降低脈(mo)動頻率(lü)、振(zhen)幅，盡(jin)量消(xiao)除類(lei)似脈(mo)動突增，保護渦(wo)輪流量計、控制測量誤(wu)差;智能(neng)渦輪(lun)流(liu)量計，可以考慮(lü)在(zai)流量(liang)計的積算(suan)模塊(kuai)增加(jia)脈(mo)動流修(xiu)正公式，實現對渦輪(lun)流量(liang)計脈(mo)動流誤差(cha)的修(xiu)正補(bu)償，保(bao)障流(liu)量計在(zai)有脈動(dong)流工況下的測(ce)量精(jing)度(du)。
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