您现在的位置 : 首页  技术文章 > 企业新闻

企业新闻

动量式气体流量计内部流场特性与测量性能研究

动量式气体流量计内部流场特性与测量性能研究,采用数值模拟与实验验证相结合的方法,得到了动量式气体流量计内部的流场,分析了流量变化时受力元件阻力系数的变化规律,研究了受力元件的形状、安装误差对测量性能的影响。研究结果表明,动量式流量计的    阻力系数在量程范围内有较大变化,必须对阻力系数随雷诺数的关系式予以拟合; 长方形受力元件阻力系数的拟合公式计算误差*小,拟合结果与实验数据的*大误差为 0. 32% ,应优先选用; 安装误差引起的阻力系数误差不大于 0. 32% ,对测量精度影响较小,动量式流量计适合在线安装。

流量计在化工、能源、冶金、石油天然气输送、民用燃气等计量领域有着大量的应用。在气体测量方 面,很多场所( 如燃煤电厂、钢铁厂等) 需要测量高炉煤气、焦炉煤气、锅炉烟气等含杂质气体的流量, 而很多常用流量计无法长期、稳定地测量含杂质气 体的流量。如孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里流量计和内锥式流量计等依靠内部型线来保证测量精度,测量时引压管路容易被堵塞,对结垢、杂质沉积 非常敏感; 超声波流量计的压力损失很小,但超声波信号易受颗粒反射、散射因素的干扰,杂质在超声波反射面上的沉积、结垢会严重影响超声波信号的传播特性,导致测量精度显著下降,甚至会导致流量计无法工作。与这些常用流量计相比,动量式流量计由于原理和结构上的优点,对含杂质气体具有较好的适应性。
动量式流量计是基于动量方程、通过测量流体对固体的冲击力来测量流量的一类流量计,靶式流量计、载荷式流量计、转动挡板流量计等按照测量原理都可归类为动量式流量计。动量式流量计内部没有运动部件,也没有测压管路,对加工精度要求不高,被测介质含有杂质时不影响流量计的运行。在缺乏安装空间的情况下可以不需要专门的测量管段,只需在被测通道上打孔插入传感器,固定密封后就可以完成在线安装。这些优点使得动量式流量计适合测量大管径、含杂质流体的流量。张婉萍等[1] 采用数值模拟的方式研究了靶式流量计流量与压力损失的关系; 吴玉柏[2]、张华等[3]开发了一款用于测量水渠流量的动量式流量计; Aik Chong Lua 等[4] 采用数值模拟与实验相结合的方式研究了一款靶式流量计内部的流动特性; Stringam Blair L 等[5]研制了一款旋转挡板流量计,并分析了其测量特性; 吴林华等[6]设计了一款扭力式流量计用来测量液态肥料的流量,并采用数值模拟分析了其内部流动特性和测量性能。这些文献研究了不同类型动量式流量计的测量性能,但研究的对象均是测量液体流量的流量计。近些年随着电子技术的快速发展,测力传感器已能准确地测量较小的受力,测量的精度、稳定性不断提高[7 ~ 9],已经能满足气体动量式流量计的量。但在测量气体流量方面,还少有对动量式气体流量计的测量特性和内部流场特性进行深入研究的报道。在流量计测量特性的研究方面,基于计算流 体动力学( CFD) 技术的数值模拟得到了大量应用, 取得了很多成果[10 ~ 13]。与实验研究相比,数值模拟具有成本低、灵活性好、不受时间、空间条件限制的优点,通过数值模拟可以得到整个流场的速度分布压力分布以此为依据分析流量计的测量特性

本文采用数值模拟与实验相结合的方法,以 DN200mm 的测量管道为研究对象,研究动量式气体流量计内部的流场特性,分析流量变化时受力元件阻力 系数的变化规律,确定安装误差对测量性能的影响。

2数值模拟模型及实现

图 1 给出了本文所研究的动量式流量计的结构示意图,测量时气流冲击受力元件,受力元件与测力传感器相连接,测力传感器及测量电路可以测出受力元件的受力大小。若已知受力大小与平均气流速度之间的关系,就可以通过对受力大小的检测获得气流平均速度并计算出流量。

2. 1    数值模拟模型
所研究的流量计精度要求为 ± 1% ,量程比为1∶20,即流量变化范围为 100 ~ 2 000 m3 / h,对应的雷诺数 Re 范围约为 12 500 ~ 250 000,因此流量计内部流动为旺盛湍流,应采用湍流模型对流量计内部

                         

                                 图 1 动量式流量计示意图 

流场进行数值模拟。Realizable k-ε 二方程湍流模型由连续性方程、动量方程、k 方程、ε 方程构成,如式( 1) ~ 式( 4) 所示。

式中: ui 为速度分量的时均值; p 为压力时均值; μ 为动力黏度; μt 为湍流黏度; σk = 1. 0,为 k 方程的湍流普朗特数; E 为用户自定义的源项; ρ 为密度; k 为湍流动能; Gv 为速度梯度引起的湍流动能; Gb 为浮力引起的湍流动能; ε 为湍流耗散率; σε  = 1. 3,为 ε
方程的湍流普朗特数; v 为被测管道内平均流速;0. 09为经验系数; i,j 表示不同的坐标,取值为 1,2,3。
2.2 计算区域、边界条件与网格划分
根据GB  50093—2013[14]的规定,安装时需在流量计前方设置长度不小于 5 ~ 10 倍管径的直管段,在流量计后方设置长度不小于 3 倍管径的直管段。按照此要求,设置管道长度为 4 000 mm,为管径的 20倍,在测力元件前设置 12 倍管径的直管段,在后方设置 8 倍管径直管段长度,管径设置为 200 mm。

数值模拟时在入口处设置为速度入口边界条件, 在管道出口设置为压力出口边界条件,压力设为大气 压。改变入口速度可以模拟不同流量点下的流场。
采用六面体结构化网格对计算区域进行离散 化,数值模拟时需要确定合理的网格数量以实现计 算结果的网格无关化。表 1 给出了在入口平均流速为 5 m / s 时长方形受力元件的阻力系数与网格数量的关系,可看出当网格总数达到约 320 × 104 及以上时计算结果几乎不变,因此把网格数量确定为320 × 104 ,并采用相同的网格尺寸划分其他算例的网格。图 2 给出了网格划分的情况。

                       

                                          图 2    网格划分情况

3数值模拟结果及分析

流体绕流受力元件时采用阻力系数描述受力特性,阻力系数的定义为:

式中: ρ 为气体密度; A1 为受力元件的迎风面积; F 为受力元件所受的沿管道方向的力。根据式( 5) , 可得出体积流量的计算式为:
q  = A v = A 2 F ( 6)
V 2 2 槡Cd ρA1 槡
式中: qV 为体积流量; A2 为被测管道的横截面积。F
通过传感器和相应电子电路测量得到,气体的密度可通过压力温度计算得出,因此动量式流量计的
测量精度取决于 F 测量的准确性和阻力系数 Cd 的变化规律。若测量电路的稳定性和重复性能满足要求,则测量精度主要取决于阻力系数的变化情况。
3.1 不同形状受力元件阻力系数的特性
受力元件形状不同时阻力系数会有所差别。本文模拟了图 3 所示的 4 种结构受力元件的流场和阻力系数特性,所研究的 4 种形状为圆、正方形、椭圆和长方形,这 4 种结构的迎风面积相同,圆形结构的直径为32mm,椭圆形受力元件的长轴与短轴长度分别为 64mm 与16mm,正方形受力元件的边长为28.36  mm,长方形受力元件的长与宽为 63.4  mm ×12.7mm。

                                    

                                           图 3 4 种形状的受力元件

对如图3所示的4种结构受力元件的阻力系数特性进行了数值模拟,得到了不同流速下管道内的速度与压力分布。图 4 给出了管道内平均流速为15 m / s( Re = 167 500) 时受力元件迎风面的压力云图,由于测量管道内中心处的流速较大,因此受力元件中心位置处承受了较大的压力。根据压力分布情况可以计算出受力元件的阻力系数,计算得到的阻力系数随雷诺数变化的情况由图5给出。

点击次数:  更新时间:2019-04-23  【打印此页】  【关闭

技术文章

联系方式

苏州华陆仪器仪表有限公司
电 话:0512-66835259

传 真:0512-66835356

邮 编:215131

地 址:苏州市相城区澄阳路60号脱颖科技园3区

在线交流 
咨询销售 MSN咨询销售
咨询技术 咨询技术
联系电话:0512-66835259