基于CFD的提高靶式流量计测量性能的研究

发布时间：2020-10-14 16:35

　　 工业时代以来,石油、天然气、液态金属等能源需求巨大,这些流体能源在开采、炼制、交易和使用过程中需要精密的计量。流体的计量易受电磁场、噪声、环境温度等因素的干扰,其计量精度和计量稳定性的提高成为行业的研究热点之一。靶式流量计具有对测量环境的适应能力强、性价比高、测量精度相对较高等诸多优点,在流体测量领域应用广泛。靶式流量计的静态性能与其结构尤其是作为主要受力单元的靶片密切相关。传统靶式流量计的结构设计,如靶片的形状尺寸参数、靶片的材料以及靶片在测量流体管道的安装方式等,基本还是用参照、类比等经验设计方法。基于经验的传统靶式流量计结构设计方法存在缺乏理论分析、设计周期长等明显的不足,成为靶式流量计进一步发展的障碍。为解决靶式流量计在计算机辅助设计上长期存在着结构优化理论不足,流体流场分析研究缺少等问题,论文在推导传统靶式流量计计算模型的基础上着重研究了靶片受力关系,并利用CFD(计算流体动力学Computational Fluid Dynamics,以下简称CFD)软件分析了靶式流量计最大的测量不稳定因素——旋涡信号,提出了通过降低旋涡中心总压来降低旋涡信号影响从而提高流量计的测量重复性;同时在分析靶片受力关系基础上提出了动压转化率的概念,并将其作为提高流量计灵敏度的目标参数。在提出提高靶式流量计性能的设计参数后,论文通过FLUENT软件模拟了圆形靶片、方形靶片和半方形靶片在全量程范围内(0.3~4.5m/s)的流场压力变化情况。为降低旋涡信号影响和提高靶片受力灵敏度,对比了模拟数据中的旋涡中心总压和动压转化率,结果发现圆形靶片在低流速(25%最大量程以下)旋涡总压最小,受到旋涡影响最弱。在中流速(25%~75%)、高流速(75%以上)中方形靶片和半方形的旋涡信号强度较小,动压转化率也更高。另外仿真发现,中高流速区域(25%以上最大量程),半方形靶片对比另外两种靶片,其旋涡中心总压更小,重复性更好,更加适合高精度、宽量程靶式流量计研究中的靶片替代品。为了验证模拟结果,课题分别按照靶式流量计的靶片设计模型制作出三种靶片,并装配到靶式流量计中进行了标定实验,标定结果显示,采用圆形靶片在全量程内重复性最差,在中流速以上,半方形靶片的重复性和灵敏度最好。标定试验结果验证了仿真的结果。通过数值模拟分析和标定试验结果对比,证明了通过CFD对靶式流量计进行结构优化和软件辅助设计是真实有效的。论文在模拟实验过程中提出的旋涡中心总压和动压转化率具有实际的意义,有助于辅助靶式流量计进行优化设计。
【学位单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH814
【部分图文】：

.2.1 差压式流量计人们利用通过测量差压元件前后压差来测量流量的原理和伯努利方程中测的流量与敏感元件前后压差的平方根为正比关系的理论研发出了差压式流量[8]。若从发展历史、适用范围和数量上看，差压流量计可以说是当前世界第一类流量计。符合这种原理的差压流量计有：靶式流量计、标准和非标准节流装、均速管流量计、临界流流量计、内锥流量计、弯管流量计等[9]。其中节流式压流量计的使用最为广泛，在大部分环境（压力、温度）下均可满足测量要求，量介质包括气体、液体、水蒸气等，甚至部分二相流也可以用它来测量。节流置种类众多，但是研究比较深入并形成标准的只有孔板、音速喷嘴和文丘里管寥几种[10]。相对于其它流量计来说，节流式流量计抗振动性能强，标定方便，够更容易的满足测量要求，其最主要的缺点就是量程比较窄，较长的直管段导安装不方便，且测量管道易漏、易堵、易冻结并导致测量结果严重失真[11]。然这些问题在近年来有些技术上的改进，但是与其它流量计仍存在原理上的差[12]。

图 1-2 均速管流量计结构图式流量计的结构包括靶片、靶杆、应变片电桥，其测量流量的原理靶片时，使得与靶片连接的靶杆产生了形变，靶杆连接处的应变片种形变转化为相对的电压。应变片靶式流量计具有抗干扰性强，性试简单，可测量脏污流体，原油等，准确度和量程比都可以做到流式流量计小，可适应高压高温流体测量，使得应变片靶式流量计展和使用前景。除此之外还有一种将作为敏感元件的传感器转换为容式靶式流量计，但是由于其大量程下非线性严重的固有缺点[16]。应变片靶式流量计最主要的缺点是高流速下靶片后方产生的旋涡响较大，稳定性受到严重的影响。界流流量计是由高功率气泵、滞止容器、文丘里管、水环真空泵据采集处理系统组成的[17]。这种流量计的特点是只测量上游侧的不受下游侧流体参数的影响，也不受温度、压力等的环境影响，同重复性极高，测出的质量流量与输出信号为线性关系，而且不会因

计被分为机械式和电子式两种。机械式涡轮流量计由涡轮流量传感器器组成，抗干扰能力强，数据保存简单可靠，在计量天然气时有很明是机械式涡轮流量计检测方法繁琐，标定时间长而广受诟病[21]。电量计是国内厂家高校研究的重点，由涡轮流量传感器和流量积算器直接将传感器检测到的信号输出为流量信号，智能型涡轮流量计可号并进行补偿，提高性能，但是对于一些特殊环境比如大噪声、高干适用，很大程度上限制了电子式涡轮流量计的使用。
【参考文献】

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本文编号：2840914