超聲波氣體流量計的管道模型仿真
發(fā)布時間：2022-04-12 00:10:42
近年來，
超聲波流量計作為工業(yè)檢測系統(tǒng)中的重要測量儀器，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，超聲波流量計的年銷售額已超過5億美元，市場份額已超過整個流量計總市場的10%，并在逐年增長。自20世紀(jì)70年代超聲波氣體流量計問世以來，它以其精度高、重復(fù)性好、無可動部件、無壓力損失等優(yōu)點越來越受到業(yè)界的關(guān)注。
然而，在超聲波氣體流量計的測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、信號衰減幅度大、信號不穩(wěn)定等。這些問題的存在嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的測量精度、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。鑒于市場的迫切需求，國內(nèi)外超聲波氣體流量計的發(fā)展重點已逐步轉(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方面：流場適應(yīng)性分析、信號檢測優(yōu)化和采集信號處理技術(shù)。其中，管道流場的優(yōu)化設(shè)計是提高超聲波氣體流量計測量精度的有效方法。雖然國際文獻對此進行了初步的理論和實驗研究，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。
針對上述問題，本文提出利用計算機建模與仿真技術(shù)，結(jié)合實驗結(jié)果，定量分析傳感器上游彎頭作用下下游直管段流量測量精度與彎頭角度、雷諾數(shù)、管徑、流量的關(guān)系，檢測位置和管壁粗糙度。通過后續(xù)工作的改進，該研究方法可以進一步擴展到其他類型超聲波氣體流量計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和誤差分析領(lǐng)域，這將對提高傳感器的設(shè)計精度和實際工程應(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，可以等效并簡化為彎頭和接頭的組合。為了簡化模型，本文重點研究了彎管對管道流場的影響。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行測試，上游和下游緩沖管的長度分別為15d和60d。試驗管道采用法蘭連接，檢測段設(shè)置在不同位置
模擬設(shè)置；為了避免二次因素的干擾，重點分析彎管對流場的影響，本文的模擬工作主要集中在五個方面：考慮超聲波氣體流量計的實際安裝環(huán)境，將氣流狀態(tài)設(shè)置為湍流運動，雷諾數(shù)（Re）從5000到200000。通過設(shè)置進氣管內(nèi)的初始?xì)怏w流速，研究了Re的變化對測量精度的影響； 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量精度之間的關(guān)系； 改變測試點到上游彎頭的距離和管道直徑，分析管道幾何因素對流量測量精度的影響；考慮到實際管道長期使用對流量的影響，設(shè)置不同尺寸的平均管壁粗糙度來模擬其影響趨勢；根據(jù)上述模擬結(jié)果，定量分析了各因素對流場的影響程度，得到了相對誤差容限表。
實驗平臺的功能圖；實驗平臺由三部分組成：檢測管段、標(biāo)準(zhǔn)管段和輔助管段。待測管段通過法蘭連接至系統(tǒng)。在實驗中，空氣由氣泵泵入檢測管段，在定容流量檢測中，流入氣體由標(biāo)準(zhǔn)流量計測量考慮到現(xiàn)場工況（壓力和溫度）的變化會影響檢測結(jié)果，在檢測管段前后安裝壓力和溫度傳感器，并利用補償算法將各種工況的實際測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)工況，得到*終結(jié)果。
同時，在模擬計算中，將標(biāo)準(zhǔn)工況作為初始條件納入計算。通過模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較，得出以下結(jié)論：在實驗室條件下，與其他條件相比，壓力和溫度變化對試驗結(jié)果的影響可以忽略；該仿真模型可以代替實驗系統(tǒng)對不同工況下的流場進行分析計算，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彎頭結(jié)構(gòu)中管道流量測量精度與流場參數(shù)之間的關(guān)系，重點研究了彎頭角度、雷諾數(shù)、流量計安裝位置、管徑和管壁粗糙度對誤差因素的影響。通過理論和仿真實驗分析，得出以下初步結(jié)論：本文的定量分析方法可以對超聲波氣體流量計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誤差的主要因素，上游彎頭角度和管壁粗糙度對減小超聲波氣體流量計的流量誤差有一定作用；本文得到了不同流場和安裝條件下流量計的測量誤差容限參數(shù)。其數(shù)值范圍可以給出更準(zhǔn)確的
超聲氣體流量計流場修正系數(shù)，為開發(fā)高精度超聲氣體流量計的優(yōu)化設(shè)計提供定量分析手段。理論分析和模擬實驗結(jié)果表明，利用計算機數(shù)值定量分析方法解決超聲波氣體流量計的流場適應(yīng)性是可行的。研究結(jié)果對超聲波氣體流量計的優(yōu)化設(shè)計和減小誤差具有重要的指導(dǎo)意義。下一步將進一步豐富流場結(jié)構(gòu)。結(jié)合超聲波流量計的工作原理和實驗結(jié)果，驗證了不同工況下流場模擬分析結(jié)果與超聲波流量計測量精度的關(guān)系
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