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2018-04-01

多声道超声流量计在弯管段安装的适应性研究

 

摘 要:针对在不具备直管段安装前提时,若何合理地拔取多声道超声流量计的声道数量、测量断面及安装角度,本文从数学建模、误差分析、数值计算仿真与实验分析等方面,对DN400多声道超声流量计在弯管中的适应性进行了综合研究。应用高斯-雅克比数值积分法,给出了实验数据处理与数值仿真的数学模型,并分析了模型误差及横流的影响,提出应用双断面测量可减小横流的影响,并在数值仿真和实验中获得了验证。经由过程对声道数量、测量断面、安装角度进行数值仿真和实验注解,安装角度对低流速测量影响明显,最佳安装角应为0°;高流速测量应选用双断面,可根据测量精度的请求选用8声道或18声道。仿真成果与实验成果获得了很好的吻合,为进一步指导实验奠定了理论基本。

关键字:超声流量计 多声道 数值仿真 弯管实验 声道分布


 

    1 引言

    多声道超声流量计是近年来超声流量计成长的一个重要偏向,在一些年夜型管道的流体测量工程范畴,如三峡水电工程、热电项目等广泛应用。声道数量、安排方法及安装角度对多声道超声流量计测量精度影响明显,若何根据流场的分布情况设备最优声道筹划对于测量成果显得尤为重要。KurnadiD等提出了一种收集式的多声道安排筹划,它由8个发射换能器和8个接收换能器构成,能构建不合的64组声道的测量,应用该多声道流量计能实现高精度测量,且能重构流场的分布,但该流量计构造复杂,晦气于推广。EmmanuelleM等应用对角六边形多声道安排筹划实现18声道高精度测量,并构造了管道截面的速度分布图。MooreIP等对Salami学者提出的23种湍流速度分布中常见的14种,分别应用径向声道、正交声道等7种不合的声道安排方法进行了理论计算,并分析了各类声道对流场的适应性。贺胜等采取CFD计算获取管道内的流场信息并经由过程数值计算获得K系数随雷诺数的变更规律,进而获得K系数随雷诺数变更最小的最优声道地位。针对多声道流量计的声道安排及权系数的分派,美国机械工程学会制订了相干的行业标准ASMEPTC18)2002。关于超声流量计对直管段的请求广泛认为前直管段要知足10D以上,后直管段要在5D以上(D)管道直径)。而对于不具备直管段安装请求,须要在弯管处安装时若何包管测量精度的研究甚少。本文重要针对ASMEPTC18)2002标准对8声道与18声道的安排请求,热像仪具有多功能,高清晰度及高性能的特点,在借鉴前人研究的基本上,分别对DN400管路在弯管处安装多声道超声流量计进行了流场数值仿真和实验研究,超声波流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的仪器,重点分析了声道数、声道断面及安装角度对测试成果的影响,以期经由过程数值仿真与实验结合的办法优化声道安排筹划。

    2 流量计模型及误差分析

    2.1 流量计数学模型

    多声道流量计测量办法是根据每组声道对流场整体的供献性分派不合的权系数,计算体积流量如式(1)所示:

     ,烟气分析仪广泛适用于各种工业燃烧设备的维护与监测;   (1)

    式中:qv为流体体积流量,D为管道直径,wi为i声道的权系数,Li为i声道的声道长度,Φi为i声道的声道角,t1i和t2i分别为i声道顺流和逆流的时光,Δti为i声道的时差。

    若何安排声道地位并合理分派其权系数,对于流量计测试的精度极为重要。今朝常用的办法是应用高斯-勒让德、高斯-雅克比、切比雪夫等数值求解的办法去计算声道地位与对应的权系数。因为高斯-雅克比办法较其他办法求解具有更高的代数精度,且因为声道地位的一致性,9声道可在4声道的基本上添加声道获得。对于实验来说,应用18声道双断面即可完成4声道、9声道单断面与8声道、18声道双断面的测试,是以本文采取的声道数学模型由高斯-雅克比数值积分法而得。

    模型的计算如下所示:

        (2)

    式中:D(r)为r处的弦长,V(r)为沿着弦长D(r)的平均速度。

    对式(2)进行变形,可得雅克比数值积分法的标准情势如式(3)所示:

        (3)

    由式(3)即可得截面体积流量的数学模型为:

        (4)

    根据雅克比表达式求解道理,可得4(8)声道与9(18)声道的声道地位与所对应的权系数如表1所示。

表1 声道分布地位与所对应的权系数

 

    2.2 误差分析

    多声道超声流量计的误差重要来源于模型误差与时差法道理误差两部分构成。模型误差的公式可由式(5)表示:

        (5)

    式中:第一、二、三项为几何身分引起的误差,重要由流量计设计加工的过程产生,在实际中须要应用周详测量仪对各个物理尺寸进行干式标定,尽可能清除该误差。此外几何身分还受情况身分的影响,如压力和温度,但一般情况下,该影响都可忽视不计。第四项为数值积分的加权误差,照办雅克比数值积分法的截断误差余项可知,在声道数不少于4时,其相对误差的最年夜值均低于10-7,是以该项误差可忽视不计。最后一项均来源于时差,对于该方面的研究,已丰年夜量的文献报道,本文不再重点研究。

    时差法道理误差是指在计算声道速度时,认为声道速度全部来源于轴向速度的投影,并未推敲到横流的出现。而在实际情况下,即就是在幻想直管段充分成长的湍流,因为换能器探头的插入,局部流场仍然会受干扰,横流影响在所不免。而在弯管部分,因为离心力的感化,横流影响更是明显。是以,在弯管测量中,若何减小横流的影响,对于测试精度至关重要。横流影响下的实际轴向速度如式(6)所示,横流与轴向速度在声道上的投影相反时取正,反之取负。

        (6)

    因为横流对不合偏向声道的感化不合,可以应用对称双断面测量来减小横流的影响,本文将分别应用数值仿真与实验的成果来验证减小横流影响的后果。实验与仿真的误差由式(7)计算而得。

        (7)

    式中:qmeas为实验测得流量,qact为标准流量,Vmeas为实验测得流速,Vact为标准流速。

    3 数值仿真计算

    仿真时模型及界线初始前提均按实验时的计算前提给定,流量计实际公称直径为399.489mm,探头地位采取全伸,各声道夹角及声道长度如表2所示。

表2 声道角及声道长度

 

    因为实验整体管路模型复杂,仿真建模时对其进行了简化,进口直管段长度为10D,出口直管段长度为5D,拔取k-ε湍流模型,计算流场分布成果如图1所示。

 

图1 0°安装角流场分布

    从流场分布图能清楚地看到流态的变更情况,特别是探头插入的处所流场产生明显的畸变。输入流量计各声道的坐标值提取声道流速的后处理数据,根据数学模型计算截面平均流速,成果如表3所示。

表3 仿真数据

 

    从仿真数据来看,几乎所有测得的流速都偏小,这注解测试体系存在体系误差,与ASMEPTC18)2002标准提到的现象相吻合。产生这种体系负误差的原因很多,单从仿真数据很难找到全部的影响身分,但最主如果因为探头的插入引起流态的扭曲而引起的。若欲减小该体系误差,可以对仿真测得的各组流速进行线性拟合,求得修改系数以修改各流速使之知足测试精度的请求。对仿真数据进行线性拟合肯定修改系数,并计算修改前后的误差,绘制误差曲线如图2所示。

 

图2 不合安装角下仿真流速修改前后误差曲线比较

    图2成果注解:1)仿真测得的流速经修改后,平均误差明显的削减,误差波动幅度获得了明显的改良;2)在固定安装角的情况下,声道数量对误差产生的影响并不明显,应用A、B双断面测量与单断面测量的成果相差无几;3)跟着安装角度的增年夜,误差有明显的上升趋势。在安装角为0°时,所有声道的误差都可控制在±0.5%之内;在安装角为90°时,多半声道在低流速下的误差接近±3%,此时声道数及断面数的增长并不克不及进步整体的精度,可见安装角度是影响低流速测量精度的重要身分。当流速高于1m/s时,安装角度对其的影响不再明显,除90°安装角在流速为2m/s时误差接近-1%外,其余声道的误差均可控制在±0.5%邻近,此时,8声道双断面的后果要略优于9声道单断面,这是因为流速升高所引起横流程度的增年夜。经由过程仿真可以或许验证应用双断面可以减小横流的影响,与前述误差分析相一致,但后果不明显的重要原因是因为仿真推敲的界线前提都为幻想化的,产生横流的原因比较单一。

    4 实验与分析

    实验在唐山汇中威顿仪表有限公司进行,流体为水,情况温度为19.7°。分别在0°、45°和90°安装角下,对0.3m/s、0.6m/s、1.0m/s、2.0m/s、3.0m/s和4.0m/s六种流速进行了4声道、9声道单断面和8声道、18声道双断面实验,每组实验在流速稳定后测试6次取其平均值,实验现场如图3所示,实验测得成果如表4所示(注:安装角是指声道与弯管指向曲率中间间的夹角)。

 

图3 DN400弯管实验现场

    实验数据与仿真数据较为接近,也都存在负误差,这也进一步证实了上述产生负误差的原因。同理对实验测得的各组声道流速进行线性拟合,修改表4中的各个流速,并计算修改前后的误差,绘制误差曲线如图4所示。

表4 实验数据

 

    图4成果注解:1)实验测得的流速经修改后,平均误差可减小4个百分点,误差波动幅度获得了明显的改良;2)在固定安装角的情况下,声道数量对误差产生的影响较年夜。在0°安装角下,4声道的误差波动较年夜,在低流速下误差可高达±2%,即便应用A、B两个断面的8声道测量,误差仍然难于控制在±1%之内;而9声道的后果较优,只有局部的误差高于±0.5%,应用含有A、B双断面的18声道更是能将误差控制在±0.5%之内,达到高精度测量的请求;3)跟着安装角度的增年夜,误差有明显的上升趋势。在安装角为90°时,多半声道在低流速下的误差高达±3%以上,此时声道数及断面数的增长并不克不及进步整体的精度,可见低流速下测量对安装角度是异常敏感的。当流速高于1m/s时,所有安装角度的误差均可控制在1%之内,此时,8声道双断面的后果要优于9声道单断面,这是因为流速升高所引起横流程度的增年夜。实验验证了经由过程应用双断面能很好的清除横流影响,与前述误差分析相一致。

 

图4 不合安装角度下实验流速修改前后误差曲线比较

    经由过程对仿真误差曲线与实验误差曲线比较可知,仿真的整体误差要优于实验,且修改前后的误差的幅度也要比实验小的多;这是因为实验的不肯定性和管路模型简化导致的成果。在得出的结论中式(1)与(3)是吻合的,但在结论(2)中二者有较年夜的不合,这是因为实验的工况复杂,管路中的流态很不稳定,声道数量越多对于非对称流态分布的适应性越好,而在仿真中根本为对称流态分布。

    5 结论

    本文从数学建模、误差分析、数值计算仿真与实验分析对DN400多声道超声流量计在弯管中的适应性进行了综合研究。经由过程数值仿真与实验得出以下结论:

    1)在流速低于1m/s时,安装角度对误差的影响明显,声道数量及断面数影响并不明显,最佳安装角度应为0°,一般测试精度9声道即可知足请求,高精度可应用双断面18声道;

    2)在高流速时,双断面要明显优于单断面,安装角度对成果有影响但并不明显,可根据测量精度的请求选用8声道或18声道。

    综上所述,经由过程数值仿真与实验结合的办法可以获得多声道超声流量计的在弯管部安装时的最优声道设备筹划,进而达到高精度测量的请求。

 

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