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弯管对热式气体流量计测量误差的影响

时间:2018/03/28来源:未知

摘 要:本文采用 CFD 数值模拟 方法研究 了 平面 单弯管 和空 间双弯管对下 游热式气 体流量 计测 量误差 的影 响。研究对 象为 基??于 热 量传 递转移效应 的 热 分布式薄膜型 DN8 0 热 式气体流量计,流量范围 为1.6-1 6 0 m3/ h,弯管 与 热 式气体 流量计之 间 直管段??为2-1 0D。以 上 下 游 均 为 长 直管段 时 的 管 道 流动作为 基 准状况,得到 流量系 数。上游存在 弯管时,流量计流 道 内 流速分 布产生??畸变,根据监测 点 流速 和流量 系数得 到流 量计 流量,而根据人 口 条件得到 准确 流量,于 是可 以 得到 流量测 量误差。计算 结果表??明 当 流 量 计 人 口 无整 流 器 时,随着直 管段 变长,测 量误差逐渐减 小。整 流器对 于 测 量误差 的 减小有 明 显作用,可大大缩 短直管??段的 长度。??

1、引言:
   热式流量计是基于早期热线风速仪的基础上发展起来的新型气体流量检测仪表,利用流动的流体与热源(流体通道内加热体或管壁外加热体)之间热量交换关系来测量流量,一般用来测量气体的质量流量。其具有压损低、测量范围大、无可动部件以及可用于极低气体流量监测和控制等特点,因此在气体流量检测领域得到广泛的应用〔1-3 ]。管道内流体流动过程在流量计实际的使用中存在着各种干扰,很多情况管道内的流体流动的速度分布总是会偏离这些典型的速度分布的而对热式气体流量计流量测量结果造成影响。热式气体流量计安装理想条件是充分发展管内流动,但是由于实际安装中管道走向和管道附件的影响,管内流动速度分布畸变,速度分布不再对称,如果热式气体流量计上下游不能保证足够长的直管段,测量误差会超出允许范围。
   目前对于热式气体流量计的测量误差的研究,主要采用实验和理论的方法。针对目前大口径或不规则管道气体质量流量测量单点测量度不高的问题,梁国伟等人提出了基于多点的热式气体质量流量测试方法,并得出多点热式气体质量流量测试方法可以明显改善某些单点测量中出现的较大偏差。Baker R. C.等人〔5〕究了流量计零部件加工和组装对于测量度的影响,其中传感器的同轴度插人、插人的深度以及传感器插人流通管道的间隙孔这3项可以占到总的测量误差影响的7%。近年来,随着计算机和流体动力学的发展,使得对于热式气体流量计内部流动的数值模拟成为可能。    上游管道条件对于热式气体流量计测量的准确性有很大影响。因此,流量计设计中通常考虑加装整流器。本文采用计算流体力学(computational fluid街namics ,CTD)的方法对平面单弯管和空间双弯管情况下流量计内部流动进行了数值模拟,评估弯管对于安装于下游的热式气体流量计测量误差带来的影响。
2、热分布型TMF工作原理及流量系数定义:
2.1、热分布型TMF工作原理:

   目前热式气体流量计按结构原理可以分为2种,即利用热量传递、转移效应的热分布型热式质量计(thermalmass flowmeters , TMF)和利用热量消散效应的浸人型TMF}6}。本文将先容基于MEMS技术制造的热分布式薄膜型TMF, MEMS流量传感器芯片具有量程范围宽、响应速度快、灵敏度高、功耗低、接近零始动等优异性能〔7〕,其微流量检测元件基片如图1所示,基片中央为空腔,其上覆有氮化硅膜,中央有铂薄膜制成的加热电阻RhoR、上下游两侧分别为温度检测电阻R二、R、。加热R、使其温度高于流体温度,在无流动时温度分布如图1(a)所示。R、上、下游温度分布(见等温线)是对称的,气流流动时破坏原来的对称性,R}所测上游侧温度下降,下游侧R、则上升,如图1(b)所示。由惠斯通电桥测出两感温体R二和R、的平均温差△T,可按下式导出质量流量9m,即:

图1微流量检测件基片
图1微流量检测件基片

  式中:气为被测气体的比定压热容,A为R。与周围环境热交换系统之间的热传导系数,M为仪表常数。2. 2流量修正系数定义    热分布TMF受流动的流速分布廓形畸变和旋转流的影响,即对于流量计上游有扰流元件(平面单弯管、空间双弯管)时传感器所测得的质量流量有一定的误差,因此应对其所得到的流量进行修正。这里采用流量计上下游长直管段的数据作为基准,此时可认为管内流动充分发展,因此可得轴向流速和体积流量之间的关系:  
   (2)式中:口为人口给定体积流量,V}为传感器所在位置轴向流速,A为传感器所在位置径向监测面面积,由式(2)可以得到流量修正系数K的值:
Q=K乘以V.乘以A
计算公式

3、计算模型及计算过程:
3.1、几何模型及网格划分:

   弯管在实际管路中不可避免,其中90。平面弯管和空间双弯管***为普遍。研究表明弯管内部存在强烈的二次流,流动非常复杂,弯管内部及其下游很大范围内轴向流速分布不对称。如果热式气体流量计安装在在弯管下游,其流量测量数据必然受到影响〔8〕。    本文采用Fluent流体力学计算App对弯管内流动进行仿真。数值模拟不涉及温度场的仿真,在不破坏主管道流场的情况下,下面所先容的模型均是在去除传感器的前提下得到的。本文研究的热式气体流量计采用缩颈管技术,如图2(a}所示,管道自径D = 80~,弯管半径R =1.5 D,L为弯管出口截面到热式气体流量计人口截面之间的距离,采用Solidworks的组合提取流量计的流体区域,计算区域平面单弯管上游和下游均为10D,空间双弯管两个弯管之间管长2D,上游和下游也均为lOD。流量计上游直管段长度为L =2,5和10D。图2(的为流量计上游弯管为平面单弯管且带有整流器的三维计算模型图,图2(b)和2(c)为前后两个整流器的三维模型。采用GambitApp进行网格划分,整流器前后面设置Interface边界条件,网格类型为三维非结构化网格,网格数约为150万左右。
图2管道几何模型和整流器

图2管道几何模型和整流器

3. 2、控制方程和边界条件:
   热式气体流量计内的流动是三维、定常、不可压缩流动。木文求解的流体动力学特性可以用流体力学基木方程描述〔9」:    连续方程为:
3. 2控制方程和边界条件    热式气体流量计内的流动是三维、定常、不可压缩流动。木文求解的流体动力学特性可以用流体力学基木方程描述〔9」:    连续方程为:
流Laminar模型,其他几个流量下设置为Realizable k-s湍流模型。
4、数值仿真结果及分析:
 . t径向速度分布    图3(a)和3(b)分别为流量计人口平面单弯管和空间双弯管的径向截面直径方向速度分布图,此时前置直管段为2D,流量为Q max o符号为圆圈的线条为未加整流器,倒三角符号线条为加装整流器,可以看出加装整流器后速度分布更加接近充分发展流动。
图3直径方向速度分布图

图3直径方向速度分布图
4. 2、流量测量误差:    采用流量计前后为长直管段时所测得的数据作为基准,得到各个前置直管段和流量下的流量修正系数K(见公式,根据监测点,即流道中心点流速V}可以计算出弯管情况下流量计所测量得到的流量:                      ( 7)式中:口‘为弯管情况下得到的修正流量,V为传感器所在位置轴向流速,A为传感器所在位置径向监测面面积,于是,定义测量误差:计算公式          口(g)    表1为热式流量计上游扰流元件为平面单弯管时的流量测量相对误差数据。当流量计人口处不安装整流器时,可以从表中看出,直管段长度较短时,测量误差大,随着直管段的加长,测量误差逐渐减小,当LlD -10时,在各个流量下测量误差大多在3%以下。当安装整流器时,流量测量误差相对于没有安装整流器时有明显的减小,由此可知安装整流器可以大大减小流量计前置直管段的长度〔‘。〕。随着直管段长度的增加,各个流量的测量误差先增加后减小,其中当LlD =10时测量误差***小。
表1平面单弯管流量测量误差
表1平面单弯管流量测量误差

    表2为热式流量计上游扰流元件为空间双弯管时的流量测量相对误差数据。对于未安装整流器的情况,空间双弯管的测量误差均比平面单弯管的大,这是由于空间双弯管结构更为复杂,在经过弯管后的流速畸变更为严重。同样随着直管段的长度的增加,测量误差逐渐减小,在LlD -10时,测量误差均小于4%。并且随着流量的增加,测量误差先是减小后增大。当流量计人口处安装整流器时,测量误差在所有直管段长度下都比未安装整流器明显减小,说明整流器对于流场的调整有明显作用〕随着前置直管段长度的增加,测量误差逐渐增加。
表2空间双弯管流量测量误差
表2空间双弯管流量测量误差

5、结论:    本文采用CFD数值仿真方法研究平面单弯管和空间双弯管对热式气体流量计测量误差的影响。可以看出,安装整流器所得到的测量误差均比未安装整流器大大减小,如平面单弯管无整流器时测量误差可以达到6. 9%,而安装整流器后在2%以下。随着流量计前置直管段长度增加,未安装整流器时的测量误差均有所减小,由2D时的平均5%减小到lOD时的平均2. 5%。

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