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            低液位非滿管電磁流量計校準及其測量影響因素分析

            來源:作者:發表時間:2020-07-07 09:46:53

                   摘要:管道粗糙度和流體黏度對流量測量有一定影響,為校準流量并分析其影響因素,運用 FLUENT 仿真軟件對管道粗糙度、流體黏度進行模擬。建立粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型,搭建實驗平臺,驗證模型建立的準確性,即外置 U 形連通管結合高精度激光測距儀精確測量管道內流體液位高度,管道上方通氣管結合流速儀精確測量管道內流體平均流速,通過體積流量計算公式得到流量值。實驗結果表明,在液位低于 0. 1D 時,流量測量誤差小于 0. 85%;通過粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型得到的平均流速值進行流量計算,計算結果誤差小于 3. 03%。實驗驗證了該方法的可行性和模型的可靠性,為低液位非滿管流量測量領域的技術創新提供了依據和實驗基礎。

             
                 非滿管流量測量在市政排污、農業灌溉、廢水處理等領域中被廣泛應用。非滿管指液體未充滿管道的狀態,管內為氣液混合物。在實際情況中,液體流經管道時,很難不留空氣的充滿整個管道,同時管道的管壁厚度、截面尺寸、電極之間間距等因素的變化,都很可能引起管內液體的液位變化 [1] 。
             
            非滿管電磁流量計**早于 20 世紀 90 年代被Fisher & Porter 公司研制成功[2] 。它的出現,使管道橫截面為圓形情況下的非滿管流量測量精度得到提高[3] 。目前,非滿管流量測量主要通過德國科隆公司的 TDALFLUX、ABB 公司的 Pati-MagII、上海大學的非滿管流量測量系統[4 ~7] 進行流量測量。流量測量的主要參數是管道內流體的液位高度和平均流速,文獻[4]~ 文獻[7]所述流量測量方法均是通過測量主要參數進行流量測量的。但其電極必須位于被測流體中,流體液位高度為較低充滿度時 ( 管道直徑的10%),電極無法全部浸入到被測流體中,難以實現對信號的采集[7 -9] 。
             
            為解決上述問題,本文提出了一種低液位非滿管流量測量方法:基于連通管原理結合高精度激光測距儀測得流體液位高度值,管道上方通氣管結合流速儀精確測量管道內流體平均流速,通過體積流量計算公式得到流量值。
             
            影響流速的因素有流體黏度和管道粗糙度,文獻[4]~ 文獻[7]所述流量測量方法均未對流體黏度和管道粗糙度進行分析。晏飛等[10] 基于 Herschel-Bulk-ley 模型,運用 CFD 對潤滑脂的流動進行數值模擬,得到黏度和速度的關系分布規律。Santos [11] 通過玻爾茲曼方程和 Bhatnagar-Gross-Krook 動力學模型對簡單縱向流動中的黏度和速度進行了分析,得到黏度和速度的非線性函數。張桂欣等[12] 、高楊等 [13] 分別應用激光測距儀和三維超聲波流速儀,得到粗糙度和速度的分布規律。
             
            本文運用 FLUENT 仿真軟件對管道粗糙度和流體黏度進行模擬,建立粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型,分析出粗糙度、黏度與流量的具體關系,通過多次實驗驗證模型的準確性及測量方法的可行性。預計本文提出的測量方法適用于流體液位高度為較低充滿度時(管道直徑的 10%)的流量測量,對低液位非滿管流量測量的發展與創新具有重要意義。
             
            1 流量測量原理
            管道中間部分平均流速的測量:將流速傳感器經管道中間上方通氣管放入待測流體中,旋槳位于當前液位高度的 50%~ 60%,進行平均流速的測量。測量原理為
            20200707094851.jpg
            式中,V為測流時段內的平均流速,單位為 m/s;K 為槳葉水力螺距,是一個常數;C 為流速儀常數;T 為測流歷時,單位為 s;N 為 T 時段內信號數。
             
            測量平均流速時,槳葉在水力推動作用下旋轉,內置信號裝置產生轉數信號,槳葉水力螺距 K 和流速儀常數 C 均為常數,測流歷時 T 和該時段內產生的信號數 N 測得后,即可算出測流時段內的平均流速值。管道內液位高度的測量:將激光測距儀垂直置于U 型連通管正上方,連通管中置一浮漂,進行液位高度的測量。
             
            根據連通管原理可得
            ρ 1 ·g·h 1= ρ2 ·g·h 2(2)
            式中,所測流體相同,密度相等,ρ 1= ρ2 ,兩邊壓強一致時管內液位高度與 U 型管內液位高度相等。基于此原理,可在不干擾管道內部流體流動的情況下,通過測量 U 型管內液位高度值,實現管道內液位高度的測量。同時,外置型的安裝使激光測距儀的更換更加簡便,降低了維修成本。
             
            2 仿真分析
            2. 1 流量計算
            根據體積流量公式可得
            Q = V·A (3)
            式中,A 為管道過水橫斷面面積,m 2 ;Q 為體積流量,單位為 m 3 /s;V為平均流速,單位為 m/s。流量的大小取決于管道內液體的平均流速V與管道過水橫斷面面積 A 的大小。A 的計算公式為
            20200707095002.jpg
            式中,D 為管道內徑,單位為 m;h 為液位高度,單位為 m。管道內徑 D 為常數,管道過水橫斷面面積 A 與液位高度 h 直接相關。通過測量 h 的大小可得到 A 的對應值。獲得平均流速V和管道過水橫斷面面積 A 后,代入式(3)得到流量值。
             
            2. 2 建立模型
            在 SolidWorks 中建立進水管直徑 18 mm,管道直徑 100 mm,長 3 m 的圓形截面直管道,前 1. 5 m 為湍流發展前置段。在 Workbench 中將建立好的模型導入Geometry 中進行優化后,將模型導入 Mesh 中進行網格劃分,劃分方式為四面體網格,網格總數為 1870715,管道中間部分網格劃分如圖 1 所示。對網格質量進行檢查,**小體積為正值且**小正交質量為 0. 23,大于0. 2,符合仿真網格質量要求,FLUENT 中求解器選取分離式,采用 SIMPLE 算法,采用隱式算法。
            局部網格劃分圖
            由于水、植物油和空氣多相物質同時存在,因此選擇多相流(Multiphase)下的 VOF 模型進行計算,流體介質包括空氣、水、植物油,各介質基本參數如表1 所示。
            介質基本參數取值表
            設置進水口為速度進口,速度大小為 0. 4 m/s,設置 湍 流 強 度 為 5%,水 力 直 徑 取 入 水 管 直 徑18 mm[15 ~16] 。通氣管為空氣進口,U 型管、水平管出口設置為壓力出口,管道主體為固體壁面,采用無滑移邊界條件,設置壁面粗糙度分別為 0 mm,0. 033 mm,0. 049 mm,0. 139 mm,0. 150 mm,0. 445 mm。在計算過程中,當管道內部流動形態變化較小時,認為流動趨于穩定,以此時計算結果作為**終流場進行分析。
             
            2. 3 仿真結果分析
            對 6 種管道粗糙度及 3 種流體黏度進行仿真分析,管道 1. 4 ~1. 6 m 處的速度分布數據通過 Origin 進行擬合處理,得到粗糙度 - 平均流速模型和黏度 - 平均流速模型。粗糙度 - 平均流速模型見式(5),擬合曲線如圖 2 所示。
            20200707095058.jpg
            式中,R a 為粗糙度,單位為 mm;A 1 ,A 2 ,A 3為常數項,具體數值如表 2 所示。
            粗糙度 - 平均流速模型常數取值表
            對粗糙度 - 平均流速模型進行分析,可得到流量與粗糙度的具體關系,見式(6)。
            粗糙度 - 平均流速模型常數取值表
            黏度 - 平均流速模型見式(7),擬合曲線如圖 3所示。
            V = B 1 μ 2 + B 2 μ + B 3 (7)
            式中,μ 為流體黏度,單位為 kg/(m·s);B 1 ,B 2 ,B 3 為常數項,具體數值如表 3 所示。
            不同流體的粗糙度 - 平均速度曲線圖不同粗糙度的黏度 - 平均速度曲線圖
            流體黏度 μ 與雷諾數 Re 的關系見式(8)。
            Re = ρvd/μ(8)
            式中,Re 為雷諾系數;ρ 為流體密度,單位為 kg/m 3 ;v為流體特征速度,單位為 m/s;d 為特征長度,即流體液位高度 h,單位為 m。對式(7)、式(8)進行分析,可得到雷諾系數與平均流速的關系:
            20200707095258.jpg
            對黏度 - 平均流速模進行分析,可得到流量與黏度的具體關系:
            20200707095302.jpg
            20200707095329.jpg
             
            實際應用中,需增加數據查表功能。數據表存儲不同介質及對應參數值,根據不同介質,選擇對應參數。
             
            3 實驗與分析
            3. 1 實驗平臺
            為驗證測量方法的可行性,搭建實驗平臺,設計方案示意圖如圖 4 所示,實物圖如圖 5 所示。管道外置U 型連通管,激光測距儀沿垂直方向朝下發射激光,激光終點為浮漂上表面,以此實現液位高度的測量。管道中間正上方焊接一個通氣管,將流速儀垂直放入待測流體中進行測量,旋槳位于當前液位高度的50%~60%,液位不得低于旋槳直徑的一半(6 mm),測量信號經流量計算模型處理后得到對應流量值。
            實驗平臺設計方案示意圖20200707095419.jpg
            圖 4 中實驗器材如下。
            ① 自制 0. 5 m ×0. 5 m × 0. 5 m 的不銹鋼連通水箱;
            ② 額定功率為 250 W 的水泵;
            ③ L20 的彎頭、溢流閥;
            ④ QS 智能型電動調節閥;
            ⑤ 精度等級為 ±0. 2%FS 的 DN20 電磁流量計;
            ⑥ 精度等級為 ±0. 01%FS 的激光測距傳感器;
            ⑦ 定制的 U 型連通管;
            ⑧ 長3 m、粗糙度0. 15 mm 的 DN100 標準鍍鋅管道以及配對法蘭盤;
            ⑨ 精度等級為 ±1. 0%FS 的便攜式流速傳感器;
            ⑩ ARM 公司 STM32F103 系列的微控制器信號處理單元。
             
            3. 2 實驗測量
            控制電動調節閥開合度大小,得到不同液位高度下的流量值。為使管內液體充滿管道,電動調節閥的開合度調至**大,調節溢流閥實現滿管狀態。電動調節閥從**大開合度 100%開始,每次降低 5%開合度進行流量測量實驗。
             
                   在 μC/OS II 操作系統下對信號處理單元進行編程,激光測距傳感器的采集頻率為 5 Hz,每 1 h 采集一次流速傳感器的測量值,信號處理單元將采集到的液位測量值進行均值處理,連續測量 1 h 后,經算法處理輸出該時段的累計流量值,同時根據 Modbus 標準協議由串口向 DN20 電磁流量計發送指令得到 1 h 實際流過的流量值。
             
                   **后通過串口將計算值和電磁流量計的標準流量值發送到 PC 端,實驗記錄結果如表 4 所示。
            實驗結果記錄表
                   對電磁調節閥進行調節,使 DN20 電磁流量計流速顯示 0. 4 m/s,與仿真進水口流速一致,進行測量實驗,通過實驗發現,調節閥開合度為 28% 時,DN20 電磁流量計流速顯示 0. 4 m/s。
             
                   將管道粗糙度及流體黏度值分別對應帶入粗糙度- 平均流速模型和黏度 - 平均流速模型進行計算,得到平均流速值后,結合管內液位高度值經式(3)、式
             
                   (4)計算得到流量值,通過對比 DN20 電磁流量計測得的流量值,來驗證模型的準確性。對比結果見表 5,表中:V 1 為粗糙度 - 平均流速模型計算得到的平均流速值;V 2 為黏度 - 平均流速模型計算得到的平均流速值;液位高度為 DN100 管道內液位高度;模型計算值分別為V 1 、V 2 代入式(3) 得到的流量值;實測值為DN20 電磁流量計測得的實際流量值;誤差為模型計算值與實測值之間的誤差。
            仿真結果與實驗結果對比表
             
            4 結束語
            本文通過 FLUENT 仿真軟件對低液位非滿管流量測量影響因素進行分析,基于提出的測量方法進行實驗,實驗結果表明:
                   ① 管道內液位高度不大于 0. 1D 時,流量測量誤差不大于 0. 85%,通過粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型計算得到的流量值,誤差不大于 3. 03%;
                   ② 實驗驗證了該方法的可行性和粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型的可靠性,適用于低液位的非滿管流量計量。
             
            本文創新點如下:
                   ① 提出一種低液位非滿管流量測量方法,實現對低液位流量的精確測量;
                   ② 通過建立粗糙度 - 平均流速、黏度 - 平均流速模型,進一步得到粗糙度、黏度與流量的具體關系。論文有待進一步解決的問題如下:
                   ① 受流速傳感器本身結構的影響無法對含大顆粒的流體進行測量,在對結構的優化方面有待進一步解決;
                   ② 受實驗室環境限制,無法對大口徑管道進行模擬和實驗,大口徑管道的非滿管流量測量有待進一步研究。
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