分输站典型阻流元件对超声流量计性能影响的仿真及优化

发布时间：2017-07-16 20:30

  本文关键词：分输站典型阻流元件对超声流量计性能影响的仿真及优化

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【摘要】：为了天然气贸易计量过程的经济利益不受到影响,现场计量管段中对天然气流量的准确测量及控制显得尤为重要。而与传统流量计相比,超声流量计具有非接触测流、重复性高、测量范围宽、测试操作简单、安装方便等优势,近年来超声流量计在天然气工业生产等领域得到广泛运用。对于存在各类阻流元件的工业计量现场,由于安装空间和铺设成本等限制,造成流量计上游直管段的长度常常无法满足标准规范的要求,导致流体进入流量计时未能达到充分发展状态,降低了超声流量计的测量性能。本论文针对存在空间安装限制的现场计量管段,为提高其超声流量计的测量稳定性及可靠性为目的,选择采用理论分析、现场实验和CFD数值仿真三种研究方法,具体研究如下： (1)针对存在安装限制的南京某分输站现场计量管段,根据其安装结构利用FLUENT,采用标准k-ε湍流模型进行数值模拟,并在该计量管段上完成相应输量条件下的实验测量,将实验测量结果与仿真结果进行对比。得到实验测量与仿真模拟的流量示值误差随输量的变化趋势一致,且两者偏移范围为0.16%-3.73%,验证了CFD仿真模拟方法的可行性及合理性；同时可看出南京某分输站现场计量管段中流量计上游直管段长度不能满足标准要求及实际情况所需的安装条件。 (2)在无阻流元件的计量管段上开展了现场测量实验,将测量结果作为后续研究的基准数据；建立了两类常见阻流元件计量管段的几何模型,并利用FLUENT软件分别对两类计量管段进行仿真模拟。在流量计测量范围内,分别对比理想流态与带阻流元件的非理想流态、阻流元件下游相同雷诺数但不同管径、含有不同尺寸阻流元件的计量管段计算结果,分析以上三方面对气体速度场分布及超声流量计测量性能的影响规律。得到汇管对气体速度场的扰动强度大于渐缩管；汇管下游计量管段内无雷诺相似规律,渐缩管下游计量管段内具有雷诺相似规律；得到所研究的各类不同型号尺寸的阻流元件中,对气体速度场扰动最强的阻流元件为DN300×2600型号的汇管。 (3)基于对气体速度场扰动最强的阻流元件,引入流动调整器来优化其计量管段结构,提出整流效果评定方法,利用CFD数值模拟对优化方案进行效果评定；并将带汇管、无阻流元件的基准实验、带汇管和整流器三种不同安装条件下的流量示值误差进行对比,分析三种安装条件下超声流量计测量性能情况。得到流量计上游存在DN330×2600汇管,且整流器下游L8D时,能使汇管及整流器下游管内气体流场达到充分发展状态,仿真流量示值误差趋于稳定；得到计量管段带汇管和整流器时,流量示值误差变化趋势及大小与不带阻流元件的基准实验测量数据基本一致,两者的偏移范围在0.03%-0.2%,且两者的流量示值误差均符合相关标准规定的超声流量计最低性能要求,验证了流动调整器的整流作用。
【关键词】：超声流量计 速度场分布 示值误差 CFD 整流器
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH814.92;TE863.1
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 研究目的及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-14
• 1.2.1 换能器安装效应9-11
• 1.2.2 流场适应性11-12
• 1.2.3 超声流量计标准化12-13
• 1.2.4 研究方法13-14
• 1.3 本文研究内容及技术路线14-17
• 1.3.1 研究内容14-16
• 1.3.2 技术路线16-17
• 第2章 现场计量管段典型元件及工艺流程17-25
• 2.1 超声流量计17-23
• 2.1.1 流量计选型17-19
• 2.1.2 超声流量计基本原理19-21
• 2.1.3 超声流量计安装要求及性能指标21-23
• 2.2 现场计量管段工艺流程23-24
• 2.2.1 带汇管计量管段23-24
• 2.2.2 带渐缩管计量管段24
• 2.3 本章小结24-25
• 第3章 分输站计量管段CFD仿真与实验对比25-46
• 3.1 CFD数值计算基础25-33
• 3.1.1 通用变量方程25-27
• 3.1.2 有限体积法-SIMPLE算法27-31
• 3.1.3 湍流模型31-33
• 3.2 气体速度分布33-37
• 3.2.1 层流与湍流33
• 3.2.3 理想流速分布规律33-35
• 3.2.4 求解平均流速35-37
• 3.2.5 速度分布畸变37
• 3.3 CFD仿真37-42
• 3.3.1 几何建模37-38
• 3.3.2 网格无关性验证38-39
• 3.3.3 仿真结果分析39-42
• 3.4 实验测量42-43
• 3.4.1 实验方案42
• 3.4.2 实验测量数据42-43
• 3.5 实验与仿真结果对比分析43-44
• 3.6 计量管段流场特性仿真及优化总体框架44-45
• 3.7 本章小结45-46
• 第4章 带阻流元件的计量管段CFD流场仿真46-101
• 4.1 基准实验与带阻流元件管线46-50
• 4.2 阻流元件为汇管的计量管线流场仿真50-77
• 4.2.1 汇管对测量误差的影响50-57
• 4.2.2 雷诺相似性分析57-66
• 4.2.3 汇管尺寸对测量误差的影响66-77
• 4.3 阻流元件为渐缩管的计量管线流场仿真77-99
• 4.3.1 渐缩管对测量误差的影响77-85
• 4.3.2 雷诺相似性分析85-93
• 4.3.3 渐缩管尺寸对测量误差的影响93-99
• 4.4 本章小结99-101
• 第5章 基于CFD计量管段优化101-112
• 5.1 流动调整器概述101-102
• 5.2 流动调整器效果评定102-104
• 5.2.1 流速稳定性判定102-103
• 5.2.2 整流效果评定103-104
• 5.3 计量管段结构优化104-110
• 5.3.1 建立几何模型104-105
• 5.3.2 优化后流场稳定性验证105-109
• 5.3.3 示值误差对比109-110
• 5.4 本章小结110-112
• 第6章 结论与建议112-114
• 6.1 结论112-113
• 6.2 建议113-114
• 致谢114-115
• 参考文献115-118
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果118

【参考文献】

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本文编号：550479