超聲波氣體流量計(jì)的管道模型仿真
發(fā)布時(shí)間：2022-04-12 00:10:42
近年來，
超聲波流量計(jì)作為工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中的重要測(cè)量?jī)x器，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超聲波流量計(jì)的年銷售額已超過5億美元，市場(chǎng)份額已超過整個(gè)流量計(jì)總市場(chǎng)的10%，并在逐年增長(zhǎng)。自20世紀(jì)70年代超聲波氣體流量計(jì)問世以來，它以其精度高、重復(fù)性好、無可動(dòng)部件、無壓力損失等優(yōu)點(diǎn)越來越受到業(yè)界的關(guān)注。
然而，在超聲波氣體流量計(jì)的測(cè)量中仍然存在許多難以克服的技術(shù)問題，如聲噪聲干擾嚴(yán)重、信號(hào)衰減幅度大、信號(hào)不穩(wěn)定等。這些問題的存在嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的測(cè)量精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性等基本指標(biāo)，阻礙了產(chǎn)品化的發(fā)展。鑒于市場(chǎng)的迫切需求，國(guó)內(nèi)外超聲波氣體流量計(jì)的發(fā)展重點(diǎn)已逐步轉(zhuǎn)向誤差因素分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等深層次領(lǐng)域。
研究方向主要集中在三個(gè)方面：流場(chǎng)適應(yīng)性分析、信號(hào)檢測(cè)優(yōu)化和采集信號(hào)處理技術(shù)。其中，管道流場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量精度的有效方法。雖然國(guó)際文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了初步的理論和實(shí)驗(yàn)研究，但仍缺乏系統(tǒng)的定量分析，部分分析結(jié)果難以推廣應(yīng)用。
針對(duì)上述問題，本文提出利用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，定量分析傳感器上游彎頭作用下下游直管段流量測(cè)量精度與彎頭角度、雷諾數(shù)、管徑、流量的關(guān)系，檢測(cè)位置和管壁粗糙度。通過后續(xù)工作的改進(jìn)，該研究方法可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他類型超聲波氣體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和誤差分析領(lǐng)域，這將對(duì)提高傳感器的設(shè)計(jì)精度和實(shí)際工程應(yīng)用起到重要作用。管道建模與數(shù)值模擬
仿真模型的建立；在實(shí)際的管道系統(tǒng)中，彎頭作為基本的結(jié)構(gòu)件，通常安裝在測(cè)量管段的上游。其他阻流元件，如閥門和整流器，可以等效并簡(jiǎn)化為彎頭和接頭的組合。為了簡(jiǎn)化模型，本文重點(diǎn)研究了彎管對(duì)管道流場(chǎng)的影響。建立的三維管道模型，該模型由四部分組成：入口緩沖管、上游彎頭、檢測(cè)直管和出口緩沖管。
根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，模型彎頭的半徑設(shè)置為管道直徑的1.5倍。為了確保氣體完全通過上游彎頭流向下游直管段進(jìn)行測(cè)試，上游和下游緩沖管的長(zhǎng)度分別為15d和60d。試驗(yàn)管道采用法蘭連接，檢測(cè)段設(shè)置在不同位置
模擬設(shè)置；為了避免二次因素的干擾，重點(diǎn)分析彎管對(duì)流場(chǎng)的影響，本文的模擬工作主要集中在五個(gè)方面：考慮超聲波氣體流量計(jì)的實(shí)際安裝環(huán)境，將氣流狀態(tài)設(shè)置為湍流運(yùn)動(dòng)，雷諾數(shù)（Re）從5000到200000。通過設(shè)置進(jìn)氣管內(nèi)的初始?xì)怏w流速，研究了Re的變化對(duì)測(cè)量精度的影響； 調(diào)整上游彎頭的彎曲角度，并演示彎頭角度變化與下游測(cè)量精度之間的關(guān)系； 改變測(cè)試點(diǎn)到上游彎頭的距離和管道直徑，分析管道幾何因素對(duì)流量測(cè)量精度的影響；考慮到實(shí)際管道長(zhǎng)期使用對(duì)流量的影響，設(shè)置不同尺寸的平均管壁粗糙度來模擬其影響趨勢(shì)；根據(jù)上述模擬結(jié)果，定量分析了各因素對(duì)流場(chǎng)的影響程度，得到了相對(duì)誤差容限表。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能圖；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三部分組成：檢測(cè)管段、標(biāo)準(zhǔn)管段和輔助管段。待測(cè)管段通過法蘭連接至系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)中，空氣由氣泵泵入檢測(cè)管段，在定容流量檢測(cè)中，流入氣體由標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)量考慮到現(xiàn)場(chǎng)工況（壓力和溫度）的變化會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，在檢測(cè)管段前后安裝壓力和溫度傳感器，并利用補(bǔ)償算法將各種工況的實(shí)際測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)工況，得到*終結(jié)果。
同時(shí)，在模擬計(jì)算中，將標(biāo)準(zhǔn)工況作為初始條件納入計(jì)算。通過模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，得出以下結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)室條件下，與其他條件相比，壓力和溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略；該仿真模型可以代替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同工況下的流場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，精度可控
結(jié)論；本文利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了超聲波氣體流量計(jì)彎頭結(jié)構(gòu)中管道流量測(cè)量精度與流場(chǎng)參數(shù)之間的關(guān)系，重點(diǎn)研究了彎頭角度、雷諾數(shù)、流量計(jì)安裝位置、管徑和管壁粗糙度對(duì)誤差因素的影響。通過理論和仿真實(shí)驗(yàn)分析，得出以下初步結(jié)論：本文的定量分析方法可以對(duì)超聲波氣體流量計(jì)的許多誤差因素提供更準(zhǔn)確的分析結(jié)果。
結(jié)果表明，雷諾數(shù)、管徑和安裝位置是影響流場(chǎng)誤差的主要因素，上游彎頭角度和管壁粗糙度對(duì)減小超聲波氣體流量計(jì)的流量誤差有一定作用；本文得到了不同流場(chǎng)和安裝條件下流量計(jì)的測(cè)量誤差容限參數(shù)。其數(shù)值范圍可以給出更準(zhǔn)確的
超聲氣體流量計(jì)流場(chǎng)修正系數(shù)，為開發(fā)高精度超聲氣體流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供定量分析手段。理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值定量分析方法解決超聲波氣體流量計(jì)的流場(chǎng)適應(yīng)性是可行的。研究結(jié)果對(duì)超聲波氣體流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和減小誤差具有重要的指導(dǎo)意義。下一步將進(jìn)一步豐富流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。結(jié)合超聲波流量計(jì)的工作原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了不同工況下流場(chǎng)模擬分析結(jié)果與超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的關(guān)系
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