軸向渦輪流量計理論分析主要有兩種模型：一是根據一元流動模型，運用動量守恒定理對葉輪受力過程進行分析，可以比較直觀地描述渦輪流量計的工作過程，一元流動模型常用于對影響因素的定性分析，需要配合實驗數據求得它們之間的關系；二是根據二元流動模型，從流體力學基礎理論出發，運用二元邊界層理論和葉柵理論提出渦輪流量計粘性摩擦阻力矩和驅動力矩的理論模型，同時應用縫隙流動理論提出計算渦輪流量計軸承阻力矩的計算公式。本文主要采用第一種模型進行分析。a
渦輪流量計最理相的工作狀態是渦輪流量計儀表系數k為常數，即儀表系數k不隨被測流體流量ρ的變化而變化。實際上渦輪流量計的工作狀態并非是理相的工作狀態，而是k與ρ成一定的函數關系，如式(2-4)所示，即：
作用在渦輪流量計葉輪上的力矩大致可分為以下幾種：被測流體通過渦輪流量計葉輪時對葉片產生的推動力矩Tr，葉輪軸與軸承之間由于摩擦而產生的機械阻力矩Trm，被測流體通過渦輪流量計葉輪時對葉輪產生的流動阻力矩Trf ，電磁轉換器對渦輪流量計葉輪產生的電磁阻力矩Tre。根據牛頓運動定律，可以推算出渦輪流量計葉輪的運動方程，如式(2-5)所示，即：
式中J為葉輪的轉動慣量；為葉輪的旋轉角速度。一般情況下，電磁阻力矩Tre 比較小，它對渦輪流量計的影響可以忽略。在正常工作條件下，可認為管道內被測流體流量是不變的，即渦輪流量計葉輪的旋轉角速度是恒定的，即：
將式(2-6)代入式(2-5)，可得到渦輪流量計葉輪在穩定條件下時的動力學方程，如式(2-7)所示，即：
在這三個力矩中，機械摩擦力矩Trm 在一定條件下可以被認為是常數；流體阻力矩rfT 只和被測流體的流動狀態有關。因此在理論模型中首先要確定主動力矩Tr 的具體關系式，可以不用給出Trm和Trf的具體關系式。渦輪流量計葉輪轉動力矩示意圖如圖 2-2 所示。
假定：經過渦輪流量計整流器的軸向被測流體速度為u1，被測流體離開渦輪流量計葉輪葉片時的絕對速度為u2，被測流體速度方向與葉輪圓周方向夾角為u1，被測流體離開葉輪時與圓周方向夾角為u2，葉輪葉片與軸線的夾角為θ。根據動量守恒原理，周向作用力f r的表達式如式(2-8)所示，即：
式中ρ為被測流體的密度；ρv為被測流體體積流量。
在式(2-8)中, ρ,ρv,u1,α1均為已知量，而u2,α2為未知量。為了得到u2,α2的表達式，要對渦輪流量計葉輪葉片作速度分析：
(1)對于葉輪葉片，它的進出口圓周速度是相同的。假設葉輪葉片進出口圓周運動線速度為Ur1和Ur2,則：
(2)當被測流體離開葉輪葉片時，被測流體的相對速度與圓周運動方向的夾角就等于葉片結構角θ。假設被測流體對于進出口葉輪葉片的相對速度為w1和w2，則w2與圓周運動方向夾角β2與葉片結構角θ之間有以下關系：
(3)根據不可壓縮流體的連讀性原理可以斷定：葉片出口絕對速度u2的軸向分量等于葉片進口絕對速度u1的軸向分量，而來流一般總是假定為軸向的,α1 =90°。葉片出口絕對速度u2的軸向分量應等于u1：
根據分析，可以得出葉輪葉片速度分析圖，如圖2-3所示。
由圖 2-3 可以得出速度的轉化關系，如式(2-12)和式(2-13)所示，即：
對軸流式葉輪，被測流體推動力fr是作用在葉片的平均半徑r上，所以，葉片的圓周運動速度ur也以平均半徑計算，即：
將式(2-12)、式(2-14)代入式(2-8)，可得被測流體推動力fr的表達式：
由此可得推動力矩Tr為：
將上式(2-16)代入式(2-7)，其中u1=qv/A (其中，A 是流通截面面積)，根據以上整理后可得：
由于k=f/qv、w=2πf/Z，其中Z為渦輪葉片數，將其代入(2-17)，得儀表系數表達式：
式(2-18)即為渦輪流量計的數學模型，能夠定性地描述渦輪流量計的基本特性。
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