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气体压力探针流量计|气体压力探针流量计流量测量原理

时间:2017/09/02来源:未知

  差压流量计在工业生产中广泛应用,但在气固两相流测量中会出现对测量元件的堵塞、磨损等问题。为解决上述问题,在经典文丘里管流量计的基础上改进了测量方法,即运用气体压力探针思想来测量流量。通过数值模拟研究了气体压力探针对文丘里管流量计测量流量的影响,***后得到改进后的流量计的流量测量范围。该方法可很好地解决流量计测量气固两相流时遇到的问题,为测量复杂环境的流量计的改进提供了新思路。

0、引言:
  流量测量作为工业发展的重要组成部分,涉及能源、环保、国防、科研等各个领域,与国民经济发展息息相关。在火力发电厂中,锅炉的制粉系统、燃烧系统、风烟系统都离不开流量测量的实时监控,准确的流量测量对节约资源和环境保护具有重要意义。
  差压式流量计在火电厂中应用广泛,但差压流量计测量气固两相流或浑浊流体的测时,检测元件与显示仪表之间的引压管部分易产生泄露、堵塞、磨损测量元件等故障。
  为克服上述测量元件的测量缺陷,国内外学者进行了大量研究。其研究方向主要分为三大类:a) 采用传统的差压式流量计作为基础元件,在此基础上进行优化改进[1-3];b) 采用现代先进技术,如利用电磁、超声、激光和辐射等技术的性质来测量流体流量[4-6];c)以计算机为技术平台,运用数值计算方法,模拟管道和测量元件内流动情况,对现实中测量元件的构造和管道的布局进行引导改进[7-8]。
  本文是在前人研究的基础上,提出了一种基于文丘里管的气体压力探针的测量方法,对气体探针的研究主要是利用FLUENT对气体压力探针进流场进行模拟,得到该流场的压力、速度场分布,并根据模拟结果计算流体流量。这样的改进既可有效消除管道堵塞核对测量元件的磨损等问题,也为在复杂环境中流量测量提供新思路。

1、设计原理:
  本文是利用经典文丘里管为基础测量元件,然后在经典文丘里管的基础上进行改进。经典文丘里管是由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、喉部C、圆锥形扩散段E和出口圆筒段F组成,经典文丘里管的结构如图1所示。
图 1 经典文丘里管

图 1 经典文丘里管
  经典文丘里管的压力测量是在入口圆筒段A和圆筒形喉部C处直接用压力测量仪表测量两处的压差。改进后的文丘里管如图2所示,在入口圆筒段A和圆筒形喉部C处加上引管,测压仪表装在引管上,测量引管处的压力。气体压力探针原理是当用改进后的文丘里管的测量流体时,在引管内加入一定流速的空气,然后测得A和C引管处的压差,***后转化成文丘里管入口圆筒段A和圆筒形喉部C截面压力。图2中,H1和H2为文丘里管的引管;V1为引管进口速度,m/s;V2为主管道进口流速,m/s。
图 2 改进后的文丘里管

  文丘里管压力损失较低,有较高的测量准确度,对流体中的悬浮物不敏感,可用于污脏流体介质的流量测量,在大管径流量测量方面应用比较多。改进后的文丘里管的适用性大大增强,能很好地测量悬浮物或污脏流体。把测压仪表装在引管上,并在引管中注入微小流速的空气,在不对主流场有很大干扰的同时又能很好地解决因测量元件造成的管道堵塞和磨损测量元件等问题。

2、物理模型:
  在模拟中,采用经典文丘里管的几何结构形状,表1是经典文丘里管本体三维模型的尺寸数据,主要包括入口圆筒段的长度La和直径Da、圆锥收缩段的长度Lb、喉部长度Lc和直径Dc、圆锥形扩散段长度Le、出口圆筒段长度Lf。在经典文丘里管中收缩段夹角为21°±1°,扩散段E的扩散角为7°~8°喉部直径与入口圆段直径的管径比β的取值范围是[0.4,0.7],文章中所采用的直径比和试验台上的文丘里管的直径比相同,为β=0.618,为准确测量喉部压力,喉部C的长度Lc应等于Dc±0.03Dc,在数值计算中,采用喉部直径等于其长度。这样的结构是流体能量损失***少的。
表 1 经典文丘里管模型的结构参数 毫米


表 1 经典文丘里管模型的结构参数 毫米

3、流量测量原理:
  经典文丘里管的工作测流原理是基于节流效应,流体流过文丘里管,入口和喉部将产生一定的静压差。在管道安装条件,流体参数一定的情况下,静压差ΔP与流量qv之间具有确定的函数关系。因此,可通过测量文丘里管入口处和喉部的压差来测量流量。
  假设流体为定常流,不可压缩流体,质量力只有重力,流体连续流动。根据连续性方程和伯努利方程推导出差压与流量之间的关系而求得流量,其基本公式如式(1)、式(2)所示:
计算公式

4、数值模拟及结果:
4.1、模型描述及网格划分:

  文中的物理模型是采用GAMBITApp进行建模,采用的几何模型为三维文丘里管,在模拟中,三维模型比二维模型更接近实际,能更全面展示内部流体的流动 情 况 。 图 3 所 示 是 画 好 网 格 的 三 维 模 型 , 采 用Tet/Hybrid网格划分方法,在引管和扩散段也分别相应地进行网格加密,加密后的网格数量总量为3 116 970个。
图 3 文丘里管的三维网格划分图形

图 3 文丘里管的三维网格划分图形

4.2、控制方程及边界条件:
  本文测量的介质为室温空气,流体分别从主管道和引管流入,主管道流速取值在1 m/s~35 m/s内变化,引管流速取值为1 m/s~20 m/s内变化。气体与壁面无滑移,在壁面处取法向速度等于0 m/s。出口处压力为大气压。
  控制方程采用三维稳态不可压缩的连续方程、动量方程。在本文计算中不涉及传热及导热问题,故不包括能量方程。采用标准k- ε方程,SIMPLE算法耦合速度和压力,对流项和扩散项采用一阶迎风差分格式。

4.3、结果分析:
4.3.1、在管径一定情况下引管流速对测量流量的影响在流场分析中,本节采用入口段直径Da为100 mm,喉部长度直径Dc为61.8 mm,引管直径Dh为10 mm的文丘里管作为分析对象,通过改变主管道入口速度V2值的大小和2个引管入口速度V1值的大小来分析气体压力探针的性质和对流量测量的影响。在该工况中,主管道入口速度V2=10 m/s,引管速度V1=1 m/s~20 m/s,图4是仿真结果的压力云图和速度矢量图,在该图中,由于三维模拟结果显示中不能很好地表达出流场内部的流动情况,故采用纵截面来显示结果。由图4可看出,在主管入口速度V2=10 m/s为定值时,随着引管入口速度V1的增加,引管H1和引管H2的压
压力运力图
图4  V=10 m/s时的压力和速度矢量图

力值越来越大,其压差也在增大;引管对应的主管道压力随着引管流速的增大压力值变化不明显,喉部压力值随着引管的流速变化明显,即随着引管流速的增大喉部管道的压力平均值在不断减小。在速度矢量图中可看出,引管H1对主管道流体流场的影响不大,当引管H1中流体流速V1>10 m/s时,对主管道流场产生了干扰;由于喉部流速比较大,当引管H2的流体进入喉部时,对喉部流体产生了剧烈扰动,随着引管内流体流速增加,扰动越来越剧烈。
  在本节研究中,计算流体流量采用体积流量公式,根据公式(4)用气体压力探针测得压差计算流体流量值如图5所示。由于知道主管道入口速度和直径,可计算出理论流量qv理论为0.079 m3/s,对其误差进行分析。从曲线中可看出,气体压力探针测得流量误差值随着流速的增加误差值先减小后增大,当引管内流速达到14m/s时,误差值达到***大,引管内流速为2 m/s时,误差值***小,当引管内流速小于5 m/s时,引管测得流量误差在10%以内。
图 5 气体压力探针测得流量和误差曲线

图 5 气体压力探针测得流量和误差曲线
4.3.2、主管道入口流速的变化对流量测量的影响在入口段直径Da为100 mm,喉部长度直径Dc为61.8mm,引管直径 Dh为10 mm的模型中,除了主管流速V2=10 m/s外,还进行了 15 m/s、20 m/s、23 m/s、27m/s、31 m/s、34 m/s的速度模拟,这些流场的压力和速度云图和10 m/s流场的云图规律相似,由于篇幅关系这里不再对其流场的压力云图和速度云图进行描述。下面直接先容这些速度条件下的流量值和误差分析。图6是关于引管压差测得流量与理论流量误差曲线,由图可看出,引管流速V1=1 m/s~8 m/s时,误差范围0%~10%,在引管流速V1=5 m/s附近时,所有曲线的误差取值都接近***小值。
图 6 气体压力探针测得流量误差曲线

图 6 气体压力探针测得流量误差曲线

4.3.3、不同管径对测量的影响在分析入口段直径Da为100 mm的流场后,发现在引管流速为5 m/s时,误差值接近***下,在对其它管径进行模拟分析时,采用引管进口为5 m/s来探究其它管径的误差值。图7是其它管径的误差值,由图可看出随着主管道直径增加,误差值在上下波动,在主管道直径Da为50 mm、100 mm、200 mm和400 mm中,直径为100 mm时,误差值***小为0.16%。
图 7 不同主管直径的误差曲线图
5、结语:
  a) 在定管径中,随着引管内流速增大,气体压力探针对主流场干扰越来越大,两引管差压制也越来越大;b) 在定管径中,随着主管道进口流速的增大,气体压力探针测得流量误差平均值在减小,***小误差在随着主管流速的增大,在向右平移。当引管流速V1=1 m/s~8 m/s时,误差范围0%~10%,在引管流速V1=5 m/s附近时,所有曲线的误差取值都接近***小值;c) 在不同管径中,当引管流速为5 m/s时,主管道直径为100 mm的气体压力探针测得流量值误差***小,其值为0.16%。

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