研究最优数量的传感器下游管道流量测量的一个弯头使用超声波速度剖面的方法

文摘

本文提出了一种新的估计方法来确定最优数量的传感器使用超声波速度剖面(UVP)准确的流量测量下游一个手肘。因为UVP可以测量速度概要文件在一个管直径和速度计算流量通过整合这些资料,还将获得一个精确的流量使用多个传感器下游nondeveloped流条件下形成的手肘。新的估计方法采用波数的速度剖面波动沿着圆管截面上使用快速傅里叶变换(FFT)。传感器的最优数量估计基于抽样定理。评估这种方法,初步实验,利用计算流体动力学(CFD)数值模拟进行。速度的评价区域配置文件位于管直径的3倍()实验,1和分别模拟下游一个手肘。雷诺实验数据和模拟设置和,分别。这些结果表明这种新方法的效率。

1。介绍

准确的管道流量测量是重要的发电效率高在核电站。高度精确的流量计量最近也被要求改善植物的性能,减少对环境的影响植物排放对周围环境敏感。核反应堆给水流量测量的准确性受到特别关注,因为他们代表的最大来源的不确定性在计算反应堆热功率。流量测量的准确性对涡轮冷却系统也是很重要的监视任何排放水温度增加和改善蒸汽冷凝器的性能。我们的目标是应用UVP饲料和循环的方法来测量流量水发电厂。

紧凑的管道配置常用的吸入离心泵由于空间限制。二次流的生成结构如漩涡,不对称,这种系统内和流动变形强烈依赖于管路系统几何,例如,管道弯曲的角,弯曲半径,飞机曲率,类型的手肘,手肘之间的长度。

UVP方法允许瞬时速度概要文件获得超声波声束路径。流量测量方法的原理是基于集成一个瞬时速度剖面管径。这种方法可以获得速度沿着超声束组件,而流向速度分量可以提供了计算管流充分发展长直管段上游的计。

来验证这种技术并研究其准确性、校准测试执行国家标准与技术研究院(NIST)流标准位于马里兰州盖瑟斯堡,医学博士,美国(1,2]。这些结果表明,平均流量之间的区别,以UVP方法和NIST重力测量,大约是0.18%。

评估管道表面粗糙度的影响仪表的准确性因子使用UVP方法,实验(3]。nondeveloped流下游的一个弯头,multimeasuring线方法应用(4]。该方法采用三个传感器安装在管道与一个常数圆周间隔。然而,由于这些实验8直径的下游一个弯头,二次流的影响相比,相对而言是相对较小的直径1或2的情况下,下游一个手肘。发电厂通常需要精确的流量监控,即使没有足够的直管段上游的测点。特别是对于大直径管道,很难安排足够的直管段上游的测点和一个手肘和测量点之间的距离往往只有少数直径。UVP应用于精确的流量测量在这种情况下,估计最优数量的传感器是重要的成本。

基于传统的研究,二次流结构的下游一个手肘被报道(5- - - - - -8),一肘对流量测量精度的影响进行了使用一个孔板流量计(9]。然而,很少有调查进行流量测量条件下的一个强大的二次流几直径下游一个手肘。

准确测量流在这样的条件下,流场的详细知识所需的一个弯头下游二次流动的不利影响最小化。这样可以使用CFD有效且高效地获得知识。

本文提出了一种新的估计方法来确定最优数量的传感器来测量流量准确的下游一个手肘。评估这种新方法,初步实验是雷诺数的条件下进行的,管道内径毫米,测点位于距离下游的手肘。随后,CFD计算也在下列条件下进行的:流率估计为1和5直径的下游一个手肘。流入剖面显示充分发展湍流管流和直径是假定为较短的600毫米管道弯头。雷诺数是设定在考虑到实际的工厂条件。

2。使用UVP流量测量方法

UVP方法对流量计量系统开发(10,11]。图1显示了一个图的超声波传播参与UVP方法,瞬时速度概要文件可以得到超声波声束路径。流量测量方法的原理是基于瞬时速度剖面的集成在一个管道直径。

超声波的频率排放到流体在入射角吗从一个传感器。超声波脉冲反弹从粒子在流体流动频率发生了变化基于多普勒原理,粒子速度命题。通过假设一个单向的流动方向平行于流向充分发展流动,速度在轴向方向上可以得到如下: 在哪里是超声波在流体传动角。粒子的位置也是决定沿着超声路径。通过测量超声波脉冲的时间旅行传感器之间的往返和针对流体粒子,粒子的位置可以作为传感器的距离计算粒子在超声波在流体的速度。以下方程显示UVP方法中使用的关系:

肘部的下游流条件通常不充分发展流动由于强烈的二次流。因此,速度概要文件获得的UVP二次流的影响。例如,如图2,而实际的速度矢量变化来使用UVP,获得的速度分量是相同的值,。

研究超声波传输效率通过各种媒体需要考虑准确的流量测量。图3显示了一个超声波传动比的超声波通过碳钢管道进入水墙。传动比可以计算如下(12]: 超声波脉冲的振幅,和瘸子介质常数,事件或折射角的超声波脉冲。

超声波的传播和传播的波传播定理。超声波脉冲反射、衍射和音调变化,发生在两种材料不同的声阻抗的边界。在固体中,两个纵向和垂直剪切波生成与不同的折射角度,可估计的传动比考虑到超声波入射角和这些材料的声学参数。多个波路径出现在流场,从而影响流量测量的准确性(13]。因此,测量流量管在管外壁,采用垂直剪切波比,因为传输波到水形成了一个强大的和单一波路径。在水中自传动角大约是18°,如图3采用垂直剪切波时,二次流速度有显著影响档案UVP获得的方法。

UVP方法可以测量一个瞬时速度剖面正如上面提到的,和采样率大约是50到100 ms /概要文件时,管道直径是500毫米。此外,流量通常是计算使用时均速度剖面平均使用超过1000瞬时速度概要文件。考虑这些参数,所需的UVP方法适用于波动流在50到100毫秒采样率(或低于10到20 Hz)。相反,传统的研究报告后的压力波动频率大约3到10赫兹的手肘= 10⁶(14]。因此,本文采用时均速度剖面调查的最优数量的传感器准确的流量计量。

3所示。初步的实验

3.1。实验条件

评估新的估计方法来确定最优数量的传感器来测量流量准确的下游一个弯头,进行了初步实验。使用的实验仪器包括一个水循环系统,测试区,测量系统如图4(15]。原理图设计强调充分发展湍流管流的形成下游的肘部。通过旁路管线的流量控制和流量控制阀。水是由离心泵循环。管道系统是用聚氯乙烯(PVC)的。在测试区之前,湍流流调节器和启动子环安装,确保一个统一的速度剖面。

水是填写箱传感器和管道之间的耦合。管子的测试区是由丙烯酸考虑高超声传动比。管的总长度约为1.5米,内径和壁厚50 5毫米,分别。电磁流量计的流量监控位于上游的测试部分。肘部的弯曲角度90°和30 mm的平均曲率。测点位于下游的手肘。

图5显示了一个测量的原理图部分在使用三个传感器。超声波的传输点液体,管子的中心点,远点的管道内表面上的传感器沿着超声束路径定义为,分别为0和+ 0.5。一条线段的,0(或0 + 0.5)沿着超声束路径和一个圆通过测量分在同一横截面被定义为“测量线”和“测量圆,”。因此,测量线的总数是6当使用三个传感器。的地区从0到0和+ 0.5被定义为“近场”和“远场”。此外,环形传感器位置在管外壁的定义如图6。

流量测量系统由UVP-DUO模型(见过流AG)和PC,它记录了流量通过电磁流量计和温度计的温度数据。基本的超声波频率是8 MHz,沿着一束超声波测量的点之间的距离是0.74毫米。尼龙粉的平均粒径约80μm和特定粒子重力是1.02,是分散在水中超声波反射器。雷诺数是。在实验过程中,水温保持在一个恒定的25°C使用再冷却器安装在储水箱。

时均速度剖面平均使用1024年由平均速度瞬时速度概要文件和规范化。一个传感器安装在管道的外表面的入射角10°墙的垂直面。周围的传感器设置每隔10°管和速度配置文件在每个周向位置测量。

3.2。结果

图7显示速度概要文件以及每个测量圆UVP获得的方法。水平轴是换能器的圆周位置,纵轴是由平均速度时均速度规范化。这个数字表明,根据圆周速度剖面波动传感器位置。在这个实验中形成的水流条件将是一个不对称流沿着一条线穿过和270°与小二次流。这是因为考虑到速度获得三分(,,)如图8(一个),速度和获得了在和不同情况下非对称流,速度和获得了在和几乎是同样的没有二次流,由于距离吗和,而和不同的二次流,如图8 (b)。例如,当关注的情况下并在图+ 0.37,(策划和)显著不同(策划和),而类似于(策划和)。更多的研究对二次流的影响在一个速度剖面沿测量圆需要定量评估。

传感器的最优数量的调查很重要当使用UVP流量测量方法。计量点的空间分辨率沿着一条测量线也可以根据管径和控制所需的流量精度。相反,空间分辨率以及测量圆取决于传感器的数量,可以估计的最优数量考虑流条件,例如,漩涡或非对称流动。因此,在这项研究中,波数的速度剖面波动测量圆了用FFT分析,和传感器的数量也使用这些FFT结果估计。

图9显示了FFT结果计算速度剖面测量圆。大约在最大峰值出现对于每一个情况下,当振幅下降3,表明测量的波数圈。

流量误差和传感器安装在管道外壁的数量是绘制在图10。“所有字段的流量”写在图计算使用远近速度概要文件在这两个领域。自从有望改变流向的方向流动,聚集流量误差的近场与远场。流量误差收敛使用大约4至6传感器时,这结果是一致的估计数量的传感器考虑采样定理。

4所示。CFD模拟

4.1。CFD代码和建模

在这篇文章中,CFD分析平均半径弯头配置。CFD代码用来模拟管流下游一个手肘ANSYS FLUNET(版本13.0)。管道的等距视图配置如图11。二次流估计六点截面,从出口一个弯头(面)下游的一个手肘。表1和图12说明CFD的规范分析和原理图周围的网格布局单一肘部。

UVP的速度剖面认为是测量方法是阅读从一个数值模拟的结果。摘要传动角成水约为19.4°考虑材料用于管道和楔形,这被认为是由碳钢和聚苯乙烯,分别。速度剖面的变化依赖于入射角,由于传动角,换句话说,超声波声束路径,也将改变水和UVP方法测量速度分量沿梁的方向。事件的影响角度的准确性UVP流量测量方法研究了考虑纵向剪切垂直,兰姆波出现在管壁(13]。然而,在发电厂,因为许多碳钢管道,通常在水流动,传动角有望在数度差异19.4°。因此,传动角在本文中被设定为19.4°,一个代表性的例子。

剪切应力传输(SST)κ- - - - - -ω基于模型(16)采用湍流模型,因为风场κ- - - - - -ω模型被描述为一个更好的湍流模型κ- - - - - -ε模型来估计分离和回贴点完全湍流管流突然扩张或扩散器(17,18]。此外,速度概要文件获得下游的肘将受到漩涡中生成一个手肘。的κ- - - - - -ω根据SST模型占湍流剪应力的运输。自由剪切流,SST模型是相同的κ- - - - - -ε模型的收敛行为κ- - - - - -ω通常类似于模型κ- - - - - -ε模型。这是因为带状κ- - - - - -ω模型包括一个混合函数在近壁区壁距离的函数;额外的方程求解计算壁距离的模拟。稳定流条件下考虑重力和第二阶逆风采用空间离散化。雷诺数是设定在根据管径和散装液体速度。

流入边界条件对于每个案例包括均速组件,而流出边界条件用于出口流动模型。管壁,无滑动速度条件下应用于组件。

4.2。结果

4.2.1。准备每个截面上二次流的模式

每个截面上的速度分布计算预计飞机从0到下游的一个手肘如图13。众所周知,流经管道弯头导致速度方向从内到外壁。这个图显示了强大的垂直不对称由于压力梯度和强烈的二次流产生的手肘。如这个图所示,二次流0和之间的显著改变下游的手肘,而两个大漩涡后出现,从肘部向外逐渐增加流向相同的距离。这些二次流模式预计将减少流量测量的精度,因为速度分量沿圆周或流向超声波声束路径取决于传感器的位置。

估计降低二次流的比例取决于距离肘、平均绝对速度投射在一个横截面平面和规范化使用散装液体速度了。这些平均速度图所示14横坐标上的弯头处的距离。因为减少比例介于0到是重要的,大量的传感器被认为是需要准确的流量计量。

4.2.2。速度沿着超声光路配置文件

速度在1和概要文件沿着超声光路图15和16。如图(15日),速度剖面在远场变化强烈,因为这些速度受到两个漩涡之间的显著的二次流的影响,如图13 (b)。的速度剖面形成了一个不同的形状与之相比沿着垂直线,因为大多数速度穿越管道图的中心13 (b)尖向上。相反,传感器被安装在的地方或180°,这些速度资料几乎是同样的由于横向对称流。在获得的速度剖面波动,如图16小于1,因为两个漩涡之间的二次流的速度也更小,如图13 (f)。

此外,速度概要文件读出和180°像大部分流体管流的速度由于一周二次流在水平方向。这个结果显示了能力提高流量测量的准确性,当传感器位于或180°的下游一个弯头,而更多的应该也进行了定量研究。

4.2.3。流速剖面测量圆

图17显示速度沿着每个测量圈1概要文件。水平轴是换能器的圆周位置和纵轴是平均速度的时均速度规范化。本地速度剖面波动和270°,而高频波动出现由于顶点图所示13 (b)。相反,在(见图18)由于减少漩涡频率下降的效果。

流条件下形成在这些模拟将沿着一条直线通过不对称和270°与二次流。这是因为当关注的情况下在数据和+ 0.317和18,(获得和)显著不同(获得和),也从(获得和)。相反,预计数据将显示流条件对称流沿着一条线和180°与二次流。这是因为,(获得和)几乎是一样的(获得和),不同于(获得和)。这些结果显示不同的速度分布趋势与实验结果相比,由于不同雷诺数和流向测量位置。

4.2.4。FFT分析速度剖面沿测量圆

FFT分析的结果使用速度概要文件读出沿着圆测量数据中所示19和20.。最大值出现在波数大约是和其他之间的局部极大值出现和7情况(见图19)。另外,傅里叶振幅下降显著超过,预计大约20个传感器将需要准确的测量流量,考虑采样定理。在的情况下如图20.大约,最大值也出现1和由于强烈的二次流肘部向外的一面。采用8传感器准确的流量计量将充分考虑傅里叶振幅降低完全结束。

4.2.5。流量考虑传感器的数量

获得的流量计算集成一个速度剖面测量线。当使用多个传感器,这是位于管壁圆周间隔不变,和他们获得的速度概要文件被用来计算流量。此外,调查环形传感器位置的影响流量测量误差、传感器的位置被3°和不同流量计算在每个位置。数据21和22同时绘制最大和最小流量在1和错误对传感器的数量。

如图21聚集,这些最大和最小流量错误当传感器的数量大约是20。这个结果是一致的估计数量的传感器使用FFT分析。流量的转换值约为+ 5和错误−6%远近场,分别。这是由于二次流的模式,如图(13日)和13 (b),显著改变取决于手肘和速度测量的距离分远近字段位于不同流向位置。在情况下(见图22),这些流量聚合八传感器错误。这个结果也是一致的估计数量的传感器使用FFT分析。一个精确的流量测量因为几乎没有改变模式的二次流方向流向。

5。结论

本文提出了一种新的估计方法来确定最优数量的传感器使用UVP准确测量流量的下游一个手肘。新的估计方法采用波数的速度剖面波动沿着圆截面的管道使用FFT。最优的传感器数量估计基于抽样定理。评估这种方法,初步试验和使用进行了CFD数值模拟。速度的评价区域位于配置文件实验,1和分别模拟下游的肘部。雷诺实验数据和模拟和,分别。这些结果表明流量误差收敛的传感器的数量估计使用波数和采样定理。

符号

:	内管直径
:	在管道半径位置
:	散装液体速度
:	速度分量沿超声波声束路径
:	速度分量方向流向
:	发病率或超声波的折射角
:	声音在流体速度
:	超声波换能器发出的频率
:	多普勒频移频
:	旅行时间的超声波脉冲
:	距离传感器的粒子
:	流向出口平面的距离一个手肘
:	超声波脉冲的振幅
:	蹩脚的常数
:	周向角
:	波数的速度剖面测量圆。

下标

:	速度分量
:	介质:0是水,1是碳钢,2是水
:	纵波
:	垂直剪切波
:	发病率
:	传播。

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