文摘
我们可以建立三维结构模型基于策略的软件,实现流场的分布在管和回流流条件下传感器的位置关于真正的位置传感器根据流利的软件。框架下,定义基于距离的回流长度的回流渠道和评估上回流流场的影响。然后我们可以正确的传输速度的功率因数差分法在理想条件和获得权力的匹配表达式根据实践模型校正因子。最后,分析仿真的经验和生产基于该模型的示例表。测试结果与仿真结果的对比分析说明了该仿真方法的有效性和可行性。本文的研究将为进一步的研究奠定基础的优化超声波流量计,提高测量精度,延长工程的应用。
1。介绍
与传统的流量计相比,超声波流量计具有更好的性能,因为它没有运动部件,没有压力损失,测量范围宽,优秀的可重复性和精度高(1),它是广泛应用于工业生产2,3),尤其是在大直径管道和更大的流4,5]。超声波流量计主要由超声波换能器安装在测量管及相关传感器的温度和压力6]。超声波传感器有两个安装:侵入性和不7,8]。不安装,超声换能器发出的信号需要经过管壁两次,这将削弱信号的强度在很大程度上,在低信噪比会影响接收信号的稳定性和准确性。目前使用的侵入安装在正常情况下(9]。单路超声波流量计,侵入管壁安装需要一个通孔,在超声换能器可以建造。这种结构在流场和超声换能器产生扰动,导致测量误差,可能是超声波流量计的测量中的关键问题。文献[10)指出,管壁附近的不均匀引起的超声换能器扭曲了流场并导致较低的测量值。测量值会降低0.05%,而通道的长度是5米;测量值会降低0.35%,而通道的长度是1米。然而,对于小直径的管子和低流,通道的长度会缩短,远低于1米;参考没有误差的大小。Raišutis [11]分析了流在休会管直径70毫米;流场是扭曲和速度分布的对称性被破坏;这也影响了流量的测量。然而,流速大在这个引用,和雷诺数很大;这属于湍流。Zhang et al。6和郑et al。12]研究了non-flow-calibrated超声波流量计的方法,利用计算流体动力学数值模拟方法,分析了影响超声波flowmeter-on DN500-the多通道传感器的测量精度。流场的分析指出,从传感器附近可能有回流,每个通道的平均测量速度低,和流的测量值也较低。
与相关参考文献的分析,我们发现超声波流量计使用双光和多路径测量一般(13,14];缺点可以列出如下:一方面复杂管道结构安装要求精度高;另一方面使用多个超声波传感器将增加成本;一些研究已经完成流体雷诺数较低的单路超声波流量计。这种超声波流量计,侵入安装和传感器nonignorable干扰流场。
为了估计干扰引起的测量误差,提出了一种新奇的模型构建的实践结构单一路径超声换能器与50 mm管径,计算传感器的干扰流场大约使用流利的流场分析软件结合测试数据;基于上述模型,我们可以分析定量方法的测量精度的影响。
本文以以下方式结构。节2的测量原理,给出了单路超声波流量计。节3,我们可以根据流利的模型和流场分析软件。仿真结果证明该算法的有效性和通用性4。最后,部分5总结了结论。
2。单路超声波流量计的测量原理
2.1。工作原理
我们可以看到传输速度差分法的测量原理,在单路超声波流量计(15- - - - - -20.从图1。管的直径为代表、超声波传感器安装在A和B,可以发射和接收超声波信号,代表的是A和B的距离,与管轴的角度AB。这将需要时间从A到B和电路的信号延迟。出于同样的原因,信号将花费时间从B和电路延迟;此外,实际的压力与实际温度。
假设流体的流动速度和方向平行于轴向右,通道超声波信号的传播速度是由声波合成的速度和组件的流速,然后超声波信号的传播时间可以显示在下游和上游方向,分别为:
使用(1),线性平均速度将被计算
因为存在的实际流体在管截面速度分布,线性平均速度不等于截面平均速度。假设有一个校正因子之间的线性平均速度和截面平均速度的表达式
然后我们可以得到的流管
考虑到压力和温度的影响,可以在标准工作条件下转换:
2.2。理想信道的模型
基于水动力理论,流体粘度的流体显示不同的速度在不同直径的点的横截面。雷诺数可唯一参数,区分粘性流体的运动模式。流体层流或湍流运动是否可以由雷诺数的价值决定的,有一个下限临界雷诺数2000左右,凌日层流气流。在层流流动的移动,小扰动流场如管壁粗糙度和自由表面的变化会逐渐减弱,这样流体流动为层流。然而,微小的扰动可以增加,流动变得不稳定,如果雷诺数较大,所以很难确定扰动后的最终状态方程的非线性增加,我们只能得出结论,最后阶段是与流场结构和雷诺数。
关于理想的层流如图1,流体可能流对称如果忽略重力影响,和速度将半径的函数在水平方向上。假定管道的压降和管的半径,在截面速度分布可以Hagen-Poiseuille公式所示:
基于上面的方程中,每个点速度分布的抛物线的半径;最大的速度是在管轴:
通过仿真,我们可以得到结果与抛物型流动分布在图2;分布显示清楚。
根据流速的分布,流的横截面积可以计算的 在集成: 在横截面平均流速可以表示为 在正常情况下,超声波流量计安装的道路中间的管道,然后线性平均速度 的基础上(4),(10)和(11),我们可以计算校正因子:
我们可以实现截面平均速度之间的关系,线性平均速度和最大流量基于上述理论;与此同时截面平均速度之间的关系和线性平均速度。然而,最大速度的大小和位置在实践中不能直接测量和工程应用。
3所示。Fluent-Based流场的建模和分析
层流速度分布和功率校正因子的价值一直在理想的情况下。然而,管子不是平滑的在实践中,并与温度和压力管道将安装传感器在里面,这可能会干扰流场使流场的速度不满足标准的抛物线分布。因此,校正因子不是一个固定值。
在本文中,我们设计的实际结构超声波流量计与小直径和小流,如图3。然后,仿真和建模的模型处理如下。
在第一步中,我们可以使用策略的软件构建几何模型的流量计。50毫米直径的管道是圆柱形孔在45度角与管轴,传感器的安装;内部的压力和温度传感器分别建立两个洞在左边。
其次,网格模型。自管具有通孔结构,传感器和传感器安装在流场不是圆柱的形状。那里,流场的表面和体积可以确保传感器和传感器附近的网格密度,可以控制网格通过选择四面体网格的数量。
接下来,将网格文件到流利的为了做流体计算软件。小直径的管道,小流,和小雷诺数,我们应该采用层流模型流体计算。
最后,设置参数计算。使用流利的软件处理层流模型最小流量时0.6米3/ h和相应的雷诺数是140。根据上面的计算,我们可以设置统一的入口和自由出口速度的模拟计算和分析收敛后的输出。
3.1。管结构的干扰流场
在数据4和5,液体流入管道从右边和流场会受到传感器和传感器安装的结构因此产生回流附件附近的传感器和传感器在A点和b .回流的力量正在改变每次根据雷诺数和雷诺数较大时将会增加。回流会通过测试通道,产生相反的流,并减少线性路径的平均速度,这可能直接影响测量精度。对于大直径的流量计,回流的影响可以忽略。但这些影响可能是巨大的直径和小流量状态。
此外,流体速度抛物线分布的理想层流模型并平行于轴,但在实际的结构我们可以沿着AB流体速度的曲线数据6和7。在图6,速度是不对称分布沿着AB方向。点速度是完全积极的这意味着流体流向相反的方向。回流将有更大的影响比b点。点图7表明,粒子分布的速度沿着AB轴;在轴管有微小的流向轴,但明显的流向轴的两端附近存在AB。
横截面速度分布曲线的输出管的中点(AB)的中点图中可以看到8。被实际影响管结构和传感器,它不再是标准的抛物线分布。
3.2。估计雷诺数在回流的影响
流体的雷诺数可估计 在哪里雷诺数,气体的密度,流速,管的半径。
在模型图所示3,AB传感器安装的距离是0.098米,空气粘度Pa·年代,密度可以看作是1.225公斤/米3。根据粒子是否在AB的轨迹线传播,我们可以确保回流在传播路径的长度。与此同时,回流点A的长度在B点,如数据9和10。
模拟不同雷诺数下,我们可以得到的回流液体传感器和回流的长度和;表达的统计数据表1。
表的基础上1的长度,如果雷诺数较大回流将提高。曲线显示返流的雷诺数和长度之间的关系图11。
3.3。电力校正因子分析
从(12)以上,校正因子扮演着一个重要的角色在超声波流量计测量精度,这是超声波流量计标定的关键参数9]。的价值高度与雷诺数有关,管结构,和其他因素。如果管道结构是确定的,雷诺数的变化改变所有的时间。和中引用相关的校正因子可以得出结论,两个假设。
首先,假定流体流动平行于管道轴线图1。但在实践中,流体方向是由管形状的影响;当然不会,完全是平行于轴;速度传感器和传感器不是在水平方向上。如果实际的流动方向不平行于轴,根据(5),测量会产生很大误差。
第二,假设管道都是光滑管;我们可以忽略流体的影响具体管结构。然而,由于实际结构的传感器通过侵入安装,特别是对小直径的管道,流体流动将受到影响。
工程,我们可以得到校正因子通常从测试改稿时流量计对流体雷诺数较低,如果考虑到实际形状,管的结构,和影响测量non-axis-parallel流动的流体,流场之间的关系,影响功率校正系数和管流的测量误差进行了分析。
回流使线性平均速度低,测量较低和错误是负的。现在考虑回流的影响,我们可以重写(2):
考虑到传感器的类型和大小在一定程度上B部分通常是一样的,所以硬件延迟可以被看作是相同的:。然后
根据仿真输出数据我们可以得到,。自和错误电路板造成的延迟,可以忽略,通过计算线性平均速度,那么电力校正因子基于计算(3)和(4)。
4所示。模拟
测试仿真分析的有效性,使超声波流量计如图的试用版3;然后用喷嘴流量校准测试设备测试。
4.1。时差校正超声波的传播
最后一节的分析导致的结论是,管子的实际结构产生回流点A和B;下游回流提高超声波传播时间和降低了上游时间时差不大,流量测量较低,错误将是负的,相同的直径,测量误差将会增加逐渐随着入口速度增加。
估计的确切影响测量回流,本文基于流利的输出和计数之间的超声波传播时间和时差两个传感器,如表2州。从表中,回流点的时差是多少回流的时差是上游、下游和通过AB通道时差,单位是纳秒(ns)。
4.2。功率校正因子
数据表3表明,功率因数将与雷诺数变化方向相同。这也证明了功率因数可能有负的错误使用理想模型和误差随着雷诺数的增加而增加。表的基础上3使用的对数拟合方法和Matlab软件,我们可以适应功率因数和雷诺数如下:
曲线表明,功率因数和雷诺数的关系图12。
4.3。时差的关系
在测试期间,代表下游和上游的时差,相关实验结果如表所示4。
基于表4,画出图的模拟时间之间的关系差异,测试时间差异,雷诺数图13。
仿真和测试输出与雷诺数有相同的趋势,但也有一些抵消在图13;可以列出如下相关的季节。
首先,当安装两个传感器在AB,一些安装错误总是存在。
其次,在构建流场的有限元模型,网格的网格类型和大小会影响精度,然后生成错误。
第三,在使用流利的模拟和计算,层流模型中相关参数的设置将影响输出的准确性。
它是有效的收敛测试和模拟结果通过改善啮合的准确性,设置合理的参数和安装精度。
5。结论
在本文中,我们分析了超声波mono流量计流场与小直径和低流量和讨论影响流场和功率因数的管道结构和使用不同的雷诺数变化。主要结论如下。(1)超声换能器的安装点和温度/压力传感器将扰乱层流流场,速度将不再是标准抛物线分布,在传感器和回流生成;回流的长度与雷诺数有同样的趋势。(2)在传感器附近,回流减少线性平均速度,使流量低的测量;错误将是负的。(3)功率校正因子的表达由模拟数据。(4)通过测试、模拟测试的有效性。数值模拟方法可以很好的反应流场的流动状态;它可能是一个重要的方法来设计和开发超声波流量计。
在进一步的工作中,我们将考虑的主要原因导致测试数据和仿真数据之间的误差和适应能力校正因子更准确,因此该方法是一种更有效的工具。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
承认
这项工作得到了中央大学(没有基础研究基金。CDJZR10170007)。