Особенности оптимизации формы чувствительных элементов вихревых измерительных преобразователей расхода жидкофазной среды

 

УДК 621.121

Автора: И.В.Коробко, В.А.Коваленко

Источник: Вестник Гомельского Государственного технического университета имени П.О.Сухого. – 2013. - №4(55). – С.36 – 42.

Представлены результаты исследования влияния формы тел обтекания вихревого измерительного преобразователя расхода жидкофазной среды на метрологические характеристики прибора. Проведено численное компьютерное моделирование взаимодействия жидкостного потока с чувствительными элементами преобразователя расхода, получено графическое распределение векторов скорости потока по оси завихрения для тел обтекания в форме цилиндра, параллелепипеда, треугольной призмы, трапеции и осуществлен анализ устойчивости вихреобразования в зависимости от формы тела обтекания.

Введение. Постановка проблемы

Подготовка, транспортировка, распределение, потребление топливно-энергетических ресурсов и воды (ТЭРВ) непосредственно связаны с организацией их точного учета, который базирующаяся на применении технических средств измерений, систем учета и регулировки энергопотребления. Разнообразие и сложность требований, предъявляемых к современным измерительным преобразователям расхода (ИПР) ТЭРВ, а также области их применения привели появлению различных методов измерения. Среди них широко применяются для коммерческого учета и потребления воды в различных отраслях промышленности, благодаря многим преимуществам, вихревые ИПР.

Современные вихревые расходомеры и счетчики, имеют достаточно высокие метрологические характеристики (погрешность в среднем составляет ± 0,5 ... 1%) [1]. Отсутствие у данного типа ИПР движущихся частей значительно повышает их надежность и, как следствие, продлевает срок эксплуатации. В то же время, более широкое использование вихревых преобразователей ограничивается характером взаимодействия потока жидкости с чувствительными элементами (ЧЭ) преобразователей. На характер данного взаимодействия оказывают влияние многочисленные факторы и параметры, одними из главных являются размер и форма ЧЭ, которые представляют собой тело обтекания (ТО).

Постановка задачи.

Принцип действия ИПР и ТО базируется на фиксации вихрей, которые возникают за телом, расположенным в потоке. Частота срыва вихрей пропорциональна объемному расходу. Учитывая требования современности к ИПР, а именно: высокие точность, надежность и повторяемость результатов измерения, линейность шкалы, большой диапазон измерения и быстродействие прибора, для создания современных приборов необходимо определить рациональные значения конструктивных параметров, особенно оптимальную геометрию ТО.

Экспериментальные исследования влияния формы ТО на метрологические характеристики вихревых ИПР связаны со значительными сложностями, в частности временного и экономического плана. В то же время, особой популярностью среди ученых пользуются методы численного моделирования гидродинамических процессов на технологической базе вычислительной гидродинамики CFD (Computational Fluid Dynamcs), благодаря которым можно ставить эксперименты, не тратя на них много времени и средств [2]. Кроме того, во многих случаях такой способ получения информации есть единственно возможным для определения эффектов от сложного взаимодействия потока измеряемой среды и ЧЭ ИПР [3, 4].

Исследование геометрических форм тел обтекания вихревых измерительных преобразователей

Все ТО, которые используются в вихревой расходометрии, можно условно разделить на призматические и цилиндрические. Первые в поперечном сечении представляют собой многоугольник (как правило треугольник или трапецию, реже Т-образные тела, размещенные основой навстречу потоку), вторые - кругообразные фигуры (обычно, различные варианты срезанных кругов) [5]. Такие ТО образуют сильные и регулярные вихревые колебания, хотя и создают большую потерю давления [1,3].

В современных конструкциях вихревых ИПР получили широкое применение ТО таких геометрических форм: цилиндр, треугольная и трапециевидная призма и параллелепипед, которые и были выбраны для исследований. Во многих случаях в качестве критерия оптимальности формы ТО принимают [6]: устойчивость частоты образования вихрей при возможно меньших скоростях потока, неизменность числа Струхаля Sh в рабочем диапазоне ИПР, появление кавитационных процессов при как можно больших скоростях, технологичность конструкций ТО.

В то же время кавитационное число зависит от потери давления на ТО, поэтому целесообразно рассмотреть в качестве критерия оптимальности величину потери давления[5]. Что касается технологичности конструкции, то современные технологии позволяют достаточно просто создавать ТО сложной геометрической формы. Учитывая выше изложенное, в качестве критерия оптимальности формы ТО можно взять[5]: устойчивость частоты образования вихрей при малых скоростях потока (небольших числах Рейнольдса Re), стабильность в рабочем диапазоне расхода ИПР числа Струхаля Sh, которое характеризует периодические процессы, связанные с движением жидкости, и минимальные потери давления на ТО.

Анализ результатов исследований зависимости числа Струхаля от числа Рейнольдса в широком диапазоне расхода жидкости[7] показывает, что для обеспечения удовлетворительного совпадения закона распределения числа Струхаля с нормальным для чисел Рейнольдса, отношение характерного размера ЧЭ к диаметру условного прохода D должно быть не более 0,3. Характерным размером ТО цилиндрической формы является его диаметр, для трапециевидной формы - ширина основания.

Оптимальные соотношения между характерным размером ТО d и внутренним диаметром измерительной камеры преобразователя D, при которых обеспечивается пропорциональность между расходом и частотой вихреобразования при постоянном числе Струхаля Sh [3,7] имеют следующие значения:

  • для цилиндрических ТО: d/D = 0,15…0,25;
  • для ТО в форме треугольной призмы: длина основания , а высота равнобедренного треугольника: l0=D/3 и h=D/9 ;
  • для прямоугольного ТО:   d/D = 0,26 и h/d = 0,66;
  • для ТО  в форме трапециевидной призмы:  d/D = 0,21 и h/d = 0,57.

 Для определения рациональной формы ТО вихревых ИПР исследованы, с использованием программного комплекса ANSYS CFX, зависимости потери давления на преобразователе от числа Рейнольдcа Re, определены значения числа Струхаля Sh и устойчивая частота вихреобразования.

При численном моделировании были построены пространственные 3D модели измерительного участка трубопровода с ТО в виде цилиндра, треугольной и трапециевидной призм и параллелепипеда (табл. 1). При расчетах полученных с 3D моделей была выбрана сетка Tet / Hybrid типа TGrid. Размер одной ячейки составлял 8∙10-4м, что обеспечило высокую точность расчетов данной сетки, также выбрано турбулентную модель потока k-epsilon, поскольку расчеты числа Рейнольдcа показывают, что во всем диапазоне измерения расхода должен быть турбулентный, по характеру протекания, поток жидкости.

Среднее значение скорости потока жидкости на участке вихреобразования задавалась равной vср=4,5*10-2 м/c, что соответствует расходу Q = 15 м3/час.

Геометрические параметры исследуемых ТО приведены в таблице 1.

Таблица 1

Геометрические параметры ТО

Форма ТО

Длина, l, м

Ширина основания, a, м

Высота, b, м

Характерный размер,  d, м

Цилиндр

0,05

 -

 -

 0,01

Призма

0,05

0,01

0,01

14,3·10-3

Параллелепипед

0,05

0,01

 -

10·10-3

Трапеция

0,05

0,01

0,01

12,76·10-3

 
По результатам численного моделирования получены визуализированные картины течения жидкости в области взаимодействия измеряемой среды с ТО (рис. 1-4), отражающие характер обтекания неподвижных тел и вихреобразования за ними.

Рис. 1. Визуализированная картина течения жидкости в области взаимодействия измеряемой среды с ТО в форме цилиндра

Рис. 2. Визуализированная картина течения жидкости в области взаимодействия измеряемой среды с ТО в форме треугольной трапеции

Рис. 3. Визуализированная картина течения жидкости в области взаимодействия измеряемой среды с ТО в форме параллелепипеда

Рис. 4. Визуализированная картина течения жидкости в области взаимодействия измеряемой среды с ТО в форме трапециевидной призмы

Анализ результатов численного моделирования взаимодействия жидкофазной среды с ТО цилиндрической формы (рис.1) показывает, что после него образуются незначительные завихрения потока, которые не являются достаточно устойчивыми для обеспечения точного измерения скорости потока, а соответственно и расхода. Это указывает на отсутствие четкой точки отрыва пограничного слоя, что нарушает устойчивость частоты вихреобразования и необходимость других исходных условий (скорость потока, соотношение диаметра трубопровода к характерному размеру ТО, которым в данном случае является диаметр цилиндра). В то же время, ТО цилиндрической формы получили довольно широкое применение, благодаря тому, что они создают условия для уменьшения потери давления, обеспечивают устойчивость геометрической формы и легкую очистку от имеющихся в потоке примесей и включений.

Исследования ТО в форме треугольной призмы (рис.2) показали, что после ТО образуется завихрение, но геометрические параметры этих тел не позволяют образоваться правильной дорожке Кармана с последовательным срыванием вихрей с разных сторон ТО. Необходимо отметить, что значительное влияние на вихреобразования имеет острота кантов (ребер) таких ТО, которые могут изменяться в результате изнашивания при эксплуатации (особенно при измерении агрессивных сред и веществ с абразивными примесями).

Предварительный анализ результатов исследований ТО в форме прямоугольного параллелепипеда (рис. 3) показывает, что характер обтекания зависит от ориентации данного тела относительно набегающего потока. В целом наблюдается устойчивое вихреобразование и его особенности проявляются в срыве вихрей на острых кантах препятствия в потоке, вихри образуются в достаточно четкой последовательности. В то же время необходимо отметить достаточно высокое падение давления на таком ТО.

Исследования трапециевидного ТО показывают, что за ТО образуются постоянная дорожка Кармана с последовательным срывом вихрей с обеих сторон препятствия (рис.4).

Больше информации в источнике.

Выводы

Анализируя результаты исследований ТО различных форм, можно сделать выводы, что для вихревого ИПР жидкофазной среды целесообразно использовать ТО в форме трапециевидной призмы, поскольку частота вихреобразования наибольшая при данном ТО, а также наибольшее значение числа Струхаля. Кроме этого, после ТО в форме трапециевидной призмы образуется дорожка Кармана с устойчивыми характеристиками.

Поэтому вихревые расходомеры с ТО трапециевидной формы имеют лучшие метрологические характеристики и измеряют расход жидкости с высокой точностью.

Литература

  1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. – Л.: Машиностроение, 1989. – 701 с.
  2. Гришанова І. А., Коробко І. В. Системи CAD/CAE. ANSYS FLUEN. – К.: Дія ЛТД, 2012. – 208 с.
  3. Киясбейли Л. Ш., Перельштейн М. Е.  Вихревые счетчики-расходомеры. Л.: Машиностроение. – 1974. – 160 с.
  4. Перельштейн М. Е. Приборы и системы управления. – 1977. – № 1. – С. 22 – 24.
  5. Остапів В. В., Піндус Н. М., Чеховський С. А. // Системи обробки інформації. – 2010. – Вип. 9 (90). – С. 77 – 79.
  6. Лурье М.С., Лурье О.М. Датчики и системы. – 2008. – №10. – С.21–23.
  7. Маштаков Б. П., Грикевич А. В. Приборы и системы управления. – 1990. – № 12. – С. 24 – 26.

Источник: Вестник Гомельского Государственного технического университета имени П.О.Сухого. – 2013. - №4(55). – С.36 – 42.