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旋进旋涡流量计|工作原理|数理模型和计算方法


文章日期:2018-06-19|阅读数:


摘要:通过计算流体力学(CFD)的方法对 50 mm 口径的旋进旋涡流量计进行了数值仿真.分析了旋涡进动效应下流量计内部流场的演变情况, 找出传感器***佳安装位置以减小外界振动与流体脉动噪声对旋进旋涡流量计造成的影响, 并且在此基础上对旋进旋涡流量计进行改进———在旋进旋涡流量计前面加导流片.改进后的旋进旋涡流量计压力损失有了较大幅度的减少.

 旋进旋涡流量计是近几十年来开发并投入市场的一种流体振荡式流量计, 可适用于石油、蒸汽、天然气、水等多种介质的流量测量.它具有内部无机械可动部件, 耐腐蚀性好 , 量程比宽等优点.但是旋进旋涡流量计也存在一些不足之处 ,比如旋进旋涡流量计的工作原理没有其它旋涡型流量计的完善,振荡频率信号容易被外界振动源所干扰 ,并且压力损失较大 .关于旋进旋涡流量计性能的研究由来已久 , 早于 1970 年 , Dijstelber-g en[ 1]就对其进行了实验研究 .1999 年, Furio 和G ianfranco[ 2]对旋进旋涡流量计做了实际工况下的仪表特征试验研究 .
     2018年 , Fu 和 Yang[ 3]用流体力学仿真对旋进旋涡流量计的流场特性进行了研究,并提出用信号差分处理提高旋进旋涡流量计抗干扰能力的设计.彭杰纲等人[ 4-7]不仅对旋进旋涡流量计进行了数值模拟分析, 研究了旋涡进动效应流场的演变情况 ,通过脉动流场物理模拟研究了流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应的影响 ,还采用实验方法研究了流体脉动和传感器的安装对旋进旋涡流量计旋进旋涡效应特性的影响.张涛等人[ 8]对旋进旋涡流量计的结构进行了优化 ,使得流量计的压力损失有了较大幅度的减小.笔者利用 FLUENT 软件对旋进旋涡流量计进行数值模拟仿真,分析了旋涡进动效应流场的演变情况.在旋进旋涡流量计的流通管道中取不同的检测点,观察各个检测点信号的强弱,以便找到***合适的传感器的安装点 .同时在旋进旋涡流量计前面加导流片,并将改进后的旋进旋涡流量计的压损与传统旋进旋涡流量计压损进行了比较.

1、旋进旋涡流量计的工作原理:
  旋进旋涡流量计主要由以下几部分组成:起旋器、文丘里管、消旋器和检测元件.其结构原理如图1 .旋进旋涡流量计是根据旋涡进动现象为机理的流量计.流体流入旋进旋涡流量计后, 首先通过一组由固定螺旋形叶片组成的起旋器后被强制旋转,使流体形成旋涡流.旋涡中心为“涡核”是速度很高的区域,其外围是环流 .流体流经收缩段时旋涡加速,沿流动方向涡核直径逐渐缩小 ,而强度逐渐加强.此时涡核与流量计的轴线相一致.当进入扩大段后,旋涡急剧减速, 压力上升, 于是就产生了回流.在回流作用下, 涡核就围绕着流量计的轴线做螺旋进动,进动频率与流体的流速成正比 .因此,测得旋进旋涡的频率即能反映流速和体积流量的大小.旋进旋涡的频率范围一般在 10 ~ 1 500 Hz ,与流体流量 Q有如下比例关系:Q = f / K
图 1 旋进旋涡流量计的结构原理图
图 1 旋进旋涡流量计的结构原理图

2、数理模型和计算方法:
2 .1、流体力学控制方程和湍流模型:

  旋进旋涡流量计的流体动力特性可以用流体力学基本方程描述如下[ 10-12]:连续性方程与动量方程:
  式(3)中:p — 静压 ;ui — 流动速度 ;f — 质量力;τij — 应力张量 ,具体表达式为 
计算公式
  式(4)中 :μ— 分子粘性系数, 在引入湍流模型后,此项可用有效粘性系数代替(μeff =μ+μt ,其中 μt为湍流粘性系数).因为标准的 k-ε湍流模型用于强旋流或带有弯曲壁面的流动时, 会出现一定失真,所以笔者选用的湍流模型是 RNG k-ε湍流模型 .在 RNG k-ε湍流模型中,通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响, 而使得这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除 .

2 .2、物理模型 、初始条件及边界条件:
  计算用物理模型是如图 2 的直径为50 mm 的旋进旋涡流量计.网格划分采用的是非结构化混合网格, 网格数大约为 42 万 .计算的流体介质是空气 ,边界条件为 :入口采用速度入口边界条件,速度值固定为圆管中充分发展湍流的速度剖面,流量范围为40 ~ 240 m3/h .出口边界条件设定为压力出口 ,压力值固定为一个大气压.管壁及起旋器表面设为无滑移边界条件.
图 2  旋进旋涡流量计的物理模型
图 2  旋进旋涡流量计的物理模型

3、计算结果分析:
3 .1、旋涡进动效应流场演变情况:

  图 3 为旋涡进动效应一个周期内的压力演变过程 ,其中右侧为通过轴线的纵剖面、左侧为图 2的垂直剖面 1 .从图 3 中可以看出 ,在旋进旋涡流量计的加速区内 ,压力分布几乎不随时间变化 ,起旋器尾部靠近管壁的压力较大 , 靠中心轴线附近压力较小 .这是因为流体被起旋器强制旋转后形成旋涡流,越靠近旋涡中心流速越高, 压力越小.当流体进入不稳定区域时,流场压力随时间作周期性的变化.从图 3 右边的垂直剖面可以看出高速流束在该截面做接近于逆时针圆周的运动.
图 3  旋涡进动效应一个周期内的压力演变过程
图 3  旋涡进动效应一个周期内的压力演变过程

3 .2、检测点的位置对测量的影响:
  当流量为160 m3/h 时,取7个检测点来观察它的压力变化情况.7 个检测点分别是:点 1 位于垂直剖面1(即扩张段的中部)上离壁面6 mm处 ,点2位于垂直剖面 2(扩张段上游 5 mm)上离壁面 6 mm处,点3 位于垂直剖面5(扩张段下游5 mm)上离壁面6 mm 处, 点 4 位于垂直剖面 3(扩张段上游 10mm)上离壁面 6 mm 处 , 点 5 位于垂直剖面 4(扩张段上游15 mm)上离壁面6 mm 处,点6 位于垂直剖面2 上离壁面10 mm 处,点7 位于垂直剖面 2 上与点1 有 180°相差的轴对称点.
  图 4 中的三点分别位于扩张段中部和扩张段上游 5 mm 及下游 5 mm 处.从图 4 中可以看出三点的振荡频率一样 , 在扩张段中部和上游 5 mm的压力振荡幅度明显比下游 5 mm 的压力变化大.而且在上游处检测点压力波形的相位要比下游处的要小.扩张段中部和上游 5 mm 处的检测点压力变化幅度相差不大, 但扩张段中部压力的平均值要稍大一些.
图 4  点 1 、点 2 和点 3 的压力变化

图 4  点 1 、点 2 和点 3 的压力变化
  图5 中的三点分别是位于扩张段上游5 mm 、10 mm 和 15 mm 处 .从图 5 中可以看出三点的振荡频率一样,越靠近扩张段的点压力振荡幅度越大,而且在这上游的三个点无相位差.
图 5  点 2 、点 4 和点 5 的压力变化
图 5  点 2 、点 4 和点 5 的压力变化
  图 6 中的两点是同一垂直剖面 2 上距离管壁不同距离的两个检测点, 观察图 6 可以得出两点的振荡频率一样,压力变化幅度相差不大,但距离管壁远处压力的平均值要稍大一些 .
图 6  点 2 和点 6 的压力变化
图 6  点 2 和点 6 的压力变化
  图7 中的两点是同一垂直剖面 1 上180°相差的轴对称的两个检测点, 观察图 7 可以得出两点的振荡频率一样 ,压力变化幅度一样,但两点压力振荡波形的相位差正好也为 180°.如果对这两点的信号进行差动处理可以得到脉动周期不变但强度增加 1 倍的脉动信号[ 7].
图 7  点 1 和点 7 的压力变化

图 7  点 1 和点 7 的压力变化
  综上所述, 在旋进旋涡流量计的流通管道中,扩张段及其上游 5 mm 处的旋涡脉动信号***强.如果采用相位差为 180°的两个轴对称点进行差动处理可以使脉动信号增强一倍.

3 .3、改进模型与传统模型的流量与进动频率和压损的关系:
 旋进旋涡流量计的缺点之一就是它在使用过程中的压力损失过大, 为了达到降低压损的目的,笔者将传统的旋进旋涡发生前面加上导流片,如图8 .为了研究传统模型和改进模型的旋涡脉动频率与流量之间的关系及压力损失与流量之间的关系,入口流量范围取 40 ~ 240 m3/h , 流量每间隔40 m3/h 取一 次(40 m3/h 、80 m3/h 、 120 m3/h 、160 m3/h 、200 m3/h 和 240 m3/h), 观察旋涡脉动频率的周期和进出口压力的情况.然后,统计出传统模型和改进模型的旋涡脉动频率与流量之间的关系及压力损失与流量之间的关系,如表1 .值得注意的是,为了准确捕捉脉动周期,在计算过程中非定常迭代时间步大小要合理选择(一定要比脉动周期要小得多 ,通常小于 1/10 脉动周期).
   图 9 为传统模型旋涡脉动频率和压力损失与流量的关系图, 从图 9 可以看出旋涡脉动频率与流量之间成线性关系 .压力损失 ΔP 与流量的平方成正比 .通过***小二乘法对表 1 的数据进行线性拟合,可以得到以下关系
图 8  改进后的旋进旋涡流量计的物理模型

图 8  改进后的旋进旋涡流量计的物理模型
表 1 不同入口流量下两种模型的仿真频率和仿真压损
表 1 不同入口流量下两种模型的仿真频率和仿真压损
  f =3 .675 2Q  ΔP =0 .317 9Q2(8)式(8)中 :f — 旋涡脉动频率;Q— 入口流量.
图 9 传统模型脉动频率和压力损失与流量之间的关系
图 9 传统模型脉动频率和压力损失与流量之间的关系
  图 10 为改进模型旋涡脉动频率和压力损失与流量的关系图,从图 10 可以看出旋涡脉动频率与流量之间关系基本不变 ,但在相同的流量下 ,改进模型的压力损失明显减少;通过***小二乘法对表 1 的数据进行线性拟合 ,可以得到以下关系 :f =3 .701 2 Q  ΔP =0 .234 7Q2
图 10  改进模型脉动频率和压力损失与流量之间的关系
图 10  改进模型脉动频率和压力损失与流量之间的关系

4、结语:
  经过采用RNG k-ε湍流模型对旋进旋涡流量计进行数值模拟计算 ,并进行结果分析与处理 ,得到如下结论:
  1)通过观察不同检测面上各检测点的压力变化情况 ,可以分析出较佳的检测面上适宜的检测点 .就当前情况而言,在扩张段的中部以及扩张段上游 5 mm 处的信号***强 .但是 ,在测量仪器的安装方面 ,扩张段上游的安装更加方便 .如果采用相位差为 180°的两个轴对称点进行差动处理则可以使脉动信号增强一倍 .
  2)在旋进旋涡流量计前加入导流片可以降低流量的压力损失, 克服其压损大的缺点.


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