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        儀器儀表直供熱線 18952302362
        三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

        不同流體條件下渦街流量計的測量特性研究

        來源: 新疆維吾爾自治區計量測試研究院石河子大學機械電氣工程學院 作者:王鵬 發布日期:2020-06-18 13:57:08

         摘要:本文詳細闡述了渦街流量計的工作原理,先通過實驗對在不同流體條件下的相對示值誤差進行分析,再利用SOLIDWORKSFLOWSIM-ULATION流體計算軟件對渦街流量計進行相應的流場分析等。

         
        0、引言
              Roshko于1954年首次提出用卡門渦街現象進行流量測量,期間經過很多學者的實驗研究和理論分析,逐漸發展成工業實踐中使用的智能渦街流量計;[1]自20世紀60年代末開始研制以來,渦街流量計發展非常迅速,可適用于液體、氣體、蒸汽,是一種比較先進、理想的流量儀表。[2]本文將先通過實驗對在不同流體條件下的相對示值誤差進行分析,再利用SOLIDWORKSFLOWSIMU-LATION流體計算軟件對渦街流量計進行相應的流場分析等。
         
        1渦街流量計結構及流量測量原理
        1.1渦街流量計結構
              旋渦發生體(阻流件)是渦街流量計的核心部件,它的主要功能是把三維的流體變成二維的旋渦流;其結構形狀非;镜氖菆A柱型、三角柱型和矩形柱,其他的形狀皆為這些基型的變形,F在經過大量的實驗和現場使用,非常為流行的是三角柱和三角柱的變形梯形柱[7](如圖1所示),結構參數之間的關系一般存在d/D=0.2~0.3、c/b=0.1~0.2、b/d=1~1.5、θ=15°~65°;[8]其優點是能產生規律較好的渦街、斯特勞哈爾數Sr線性度較高。
        典型三角柱旋渦發生體
        1.2測量原理
              渦街流量計利用卡門渦街原理,即流體流經流量計時,在旋渦發生體下游兩側交替地分離釋放出兩列有規律的交錯排列的旋渦(如圖2所示),在一定雷諾數范圍內,該旋渦的頻率與發生體、管道的幾何尺寸有關,旋渦的頻率正比于流量,此頻率可由探頭檢出。
        渦街發生過程及流量測量示意圖
              當渦街穩定時,旋渦釋放頻率f與流經旋渦發生體兩側的平均流速u之間的關系可表示為:
        旋渦釋放頻率 f 與流經旋渦發 生體兩側的平均流速 u 之間的關系
              式中:f———旋渦頻率,Hz;Sr———斯特勞哈爾數,雷諾數Re在3×102~1.5×105的范圍內,Sr———常數;
                    u———旋渦發生體兩側流體的平均流速,m/s;
                    d———旋渦發生體迎流面的寬度(如圖1所示),m。
              設測量管內徑為D(如圖2所示),發生體兩側弓形流通面積之和與測量管的橫截面積之比為m,則:
        20200618140037.jpg
              根據流體連續性方程:v=u·m(3)
                    式中:v———測量管內流體的平均流速,m/s。
              將式(3)代入式(1),得:
        QQ截圖20200618140100.jpg
              設測量管內的瞬時體積流量為qv,m3/s;則:
        20200618140121.jpg
              因此,對確定的測量管內徑D和旋渦發生體迎流面寬度d,流體的瞬時體積流量qv與旋渦頻率f成正比;只要測得旋渦頻率f,就可測量出體積流量qv的值。
         
        2實驗
        2.1實驗材料
              本文實驗對象為江蘇杰創科技有限公司生產的DN100、編號為JC180335的三角柱型渦街流量計,流量范圍是(0.0~100.0)m3/h,1.5級,實體結構及主要參數如圖3所示。
        三角柱型渦街流量計
              使用的標準裝置為標準表法水流量標準裝置,0.2級,流量范圍(5~2200)m3/h、適用口徑DN(50~500)mm,實驗管道為DN100,數據輸出模式選擇(4~20)mA電流輸出;如圖4所示進行渦街流量計現場實驗,前后直管段滿足測量要求。
        渦街流量計現場實驗
        2.2實驗方法
              經現場實驗發現:當管道內設定流量低于10m3/h時,渦街流量計的電流輸出為0mA(表頭顯示0.000m3/h);調節閥門開度,逐步增大流量點至13m3/h時,數據輸出正常。根據研究對象的流量范圍,選取13m3/h、20m3/h、50m3/h、80m3/h等為流量參數采用標準表法在不同介質壓力下進行相對示值誤差計算。
         
        3實驗結果及分析
        3.1調節閥門的開度及泵的頻率使得管道流量達到被檢渦街流量計的有效下限值13m3/h,記錄下此時渦街流量計的輸出值(共計50個數據);如圖5所示,數據不穩定,非常小值、非常大值分別為8.108m3/h、12.774m3/h,經格拉布斯準則[12]判定均不是異常值;經計算得到相對示值誤差E=-14.44%,標準偏差σ=8.05%。
        渦街流量計的輸出值
              導致流量輸出不穩定,造成相對示值誤差及重復性偏大的原因可能是:液體介質流量過低(下限有效流量),致使雷諾數偏低;根據文獻[3]得知:20℃水的動力粘度μ=1.003×10-3Pa·s、密度ρ=998.2kg·m-3,此時13m3/h對應的來流速度v=0.46m/s,流場的特征直徑D=0.1m;根據式(6)得:
        20200618140647.jpg
              由文獻[9]可知:對于多數渦街流量計,雷諾數Re在2×104~7×106范圍內(可見Re=4.6×104在下限附近)Sr可看為常數,可保證測量的準確度;超出該范圍,Sr將隨Re的降低或升高而變化,渦街流量計將出現非線性,從而導致渦街流量計的準確度會降低。另外,管道內介質的壓力也可能會造成渦街流量計的準確度降低,在后續實驗中,將進行同一流量點、不同介質壓力下進行相對示值誤差實驗。
         
        3.2調節閥門的開度及泵的頻率使得管道流量達
              到設定的流量值20m3/h、50m3/h、80m3/h,調節管道內的介質壓力;記錄不同管道介質壓力下渦街流量計的輸出值,并進行相對示值誤差計算。
         
              如圖6所示,相同流量點、不同介質壓力下的相對示值誤差不同,且隨著壓力的增大,相對示值誤差均有不同程度上升的趨勢,中、小流量點下表現得尤為明顯;相對應的大流量點下的相對示值誤差對壓力變化略顯得不太敏感。整體來說,分界流量0.2qmax以上各流量點對應的相對示值誤差還是呈線性的,可以通過調節流量傳感器系數(Sensor-Factor)進行校準;另外在今后進行渦街流量計中、小流量檢測時盡可能的增大管道內介質的壓力等。接下來進行渦街流量計三維建模及流場仿真分析,進一步研究不同流體條件下渦街的工作原理等。
        不同介質壓力下各流量點的相對示值誤差
        4CFD仿真分析與探討
        4.1建立模型
              應用CAD軟件SolidWorks依據上述渦街流量計的內部實際尺寸建立計算區域模型,為了盡可能降低網格數、提高仿真計算效率,采用根據前2D后5D的直管段安裝要求建模,如圖7所示。
        渦街流量計前 2D 后 5D 仿真模型
        4.2網格劃分
              選擇自動網格劃分,初始網格劃分級別選擇6,非常小縫隙尺寸即為旋渦發生體與探頭之間的距離5mm,其余選擇默認狀態,運行網格求解得到模型總的流體網格數為197894,其中,接觸固體的流體網格數為59948,如圖8所示。
        平面 xoz、xoy 非常終的網格劃分圖
        4.3求解設置
              分析類型選擇內部流場分析,并排除不具備流動條件的腔;重力加速度方向選擇y軸負方向、g=9.81m/s2;渦街流量計的內部流場為非定常流,選擇瞬態分析,設定仿真時間10s、保存間隔周期0.05s;流體介質選擇水,其密度為998.2kg/m3、運動粘度為1.003×10-3Pa·s;流動類型為層流和湍流;初始條件x方向速度為0.46m/s(即13m3/h),湍流參數選擇湍流強度和湍流長度,其中湍流的定義方法選擇湍流強度I[13](見式7)和湍流長度I[14](見式8),經計算當v=0.46m/s時湍流強度I=4.18%、I=0.007mm。
        QQ截圖20200618141408.jpg
              選擇速度、壓力及力作為全局目標,選取探頭表面一側(z正方向)表面受到的力為表面目標,然后運行求解。
         
              通過分析表1數據得出同一流量點下,管道內介質壓力不同,探頭受力是不一樣的,且在管道介質壓力小于0.1MPa時,各流量點下隨著管道壓力的增大,探頭受力變化趨勢一致,均是逐漸減小,如圖9所示;以流量點50m3/h為例,繼續增大管道內介質壓力,發現在管道壓力大于0.1MPa的條件下,探頭受力F隨流量點的增大呈增大趨勢。
        探頭受力與管道介質壓力的關系
              從渦街流量的工作原理和仿真數據知道,探頭的受力是周期性的,隨著流量點的增大探頭受力周期呈減小趨勢;且周期的大小與管道內的介質壓力無關,只與介質流量的大小有關,通過周期的倒數可得到不同流量點下的探頭受力的頻率大小,即探頭受力的頻率與介質流量呈正相關,如圖10所示。結合式(9)可計算得到基于探頭受力條件下的脈沖當量,結果發現脈沖當量(60個/L)是一個定值,與管道壓力、介質流量無關等。
        20200618141444.jpg
              式中:脈沖當量單位為個/L;頻率的單位為Hz;流量的單位為m3/h。
        探頭受力頻率、周期與流量的關系
        4.4仿真結果與分析
              在實際的檢校驗工作,同一個直管段只有一個入口和一個出口,則可認為入口流量與出口流量相當,為了研究介質壓力的單因素變化對探頭受力的影響,在仿真的初始條件分別根據實際數據設置出口速度和入口靜壓力,仿真結果如表1所示。
        不同流體條件下探頭受力情況等
        5結論與探討
        5.1結論
              本文闡述了渦街流量計的工作原理。通過實際實驗得到渦街流量計存在有效下限值(分界流量以下),在該流量值下存在較大相對示值誤差,且重復性不佳;在分界流量以上,相同流量點隨著壓力的增大,相對示值誤差均有不同程度上升的趨勢,中、小流量點下表現得尤為明顯,大流量點下的相對示值誤差對壓力變化略顯得不太敏感;整體來說,分界流量0.2qmax以上各流量點對應的相對示值誤差還是呈線性的。通過仿真模擬發現當管道介質壓力小于0.1MPa時,隨著介質壓力的增大探頭受力變化趨勢一致,均是逐漸減小,當管道壓力大于0.1MPa的條件下,探頭受力F隨流量點的增大呈增大趨勢;另外,探頭的受力是周期性的,隨著流量點的增大探頭受力周期呈減小趨勢,只與介質流量的大小有關,與管道內的介質壓力無關,通過周期的倒數可得到不同流量點下的探頭受力的頻率大小,即探頭受力的頻率與介質流量呈正相關。
         
        5.2探討
        通過實驗及仿真模擬引發一些思考,也是今后進一步研究渦街流量計的方向:
              (1)渦街流量計工作原理中提到的旋渦頻率與本文中仿真得到探頭受力頻率之間存在什么樣的關系。
              (2)由仿真模擬,根據探頭的受力頻率換算得到恒定的脈沖當量(60個/L)與實際工作條件下脈沖當量是否一致。
              (3)卡門渦街的形成與雷諾數有很大的關系,根據雷諾數計算公式,其值與管道介質壓力無關,與仿真得到的探頭受力大小與管道介質壓力存在強的相關性是否矛盾。

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