新型質(zhì)量流量計(jì)的仿真模擬與研究

摘 要

摘要：介紹了新型質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理，采用FLUENT軟件對(duì)該質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行仿真模擬。模擬分析了適用于該質(zhì)量流量計(jì)的流體流速范圍、環(huán)境溫度范圍。適用于該質(zhì)量流量計(jì)的
摘要：介紹了新型質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理，采用FLUENT軟件對(duì)該質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行仿真模擬。模擬分析了適用于該質(zhì)量流量計(jì)的流體流速范圍、環(huán)境溫度范圍。適用于該質(zhì)量流量計(jì)的流體流速范圍為O.2～1.6m/s。當(dāng)流體流速為1m/s、溫度為60℃時(shí)，適用于該質(zhì)量流量計(jì)的環(huán)境溫度范圍為-20～120℃。當(dāng)環(huán)境與流體溫差小于20℃時(shí)，不建議采用該質(zhì)量流量計(jì)。
關(guān)鍵詞：質(zhì)量流量計(jì)；流量測(cè)量；精度；數(shù)值模擬
Analog Simulation and Research on New Type Mass Flowmeter
ZHANG Wan-ping，LI Shi-WU，TANG Min
Abstract：The structure and measurement principle of a new type mass flowmeter are introduced. This mass flowmeter is simulated by Fluent software. The range of flow rate and the range of ambient temperature suitable for this mass flowmeter are analyzed. The flow rate suitable for this mass flowmeter is 0.2 to 1.6m/s. When the flow rate is 1m/s，and the temperature is 60℃，the temperature range suitable for this mass flowmeter is -20 to 120℃.When the difference between ambient temperature and fluid temperature is less than 20℃，it is not suggested to use this mass flowmeter.
Key words：mass flowmeter；flow measurement；precision；numerical simulation
1 概述
    流量測(cè)量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)量的重要步驟，是能源計(jì)量的重要組成部分。它對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源都有很重要的作用[1]。目前，測(cè)量流量的儀表種類繁多[2、3]，但大部分都不能直接測(cè)得質(zhì)量流量，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是國(guó)際上一種新型流量計(jì)，它能夠直接測(cè)量氣體的質(zhì)量流量[4、5]。國(guó)內(nèi)對(duì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的研究起步較晚，大部分的熱式質(zhì)量流量計(jì)都是進(jìn)口的，價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品性能達(dá)不到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。
    因此，研究高質(zhì)量的質(zhì)量流量計(jì)是流體流量測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，也是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)量所企盼的。FLUENT作為世界上較先進(jìn)的CFD軟件，在流體計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用，一些研究者也已經(jīng)成功地將它用于開(kāi)發(fā)流量計(jì)的流場(chǎng)仿真中，在流量計(jì)的研究中不僅減少了研究成本和開(kāi)發(fā)周期，而且對(duì)流量計(jì)的改進(jìn)具有很好的指導(dǎo)作用。因此，本文在熱式質(zhì)量流量計(jì)的基礎(chǔ)上研究一種新型的質(zhì)量流量計(jì)，并通過(guò)FLUENT軟件對(duì)其進(jìn)行仿真研究和指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
2 質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理
質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，這種新型的質(zhì)量流量計(jì)是在熱式質(zhì)量流量計(jì)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，是以管外環(huán)境與管內(nèi)流體之間的溫差作為動(dòng)力。溫度傳感器6位于流體管道內(nèi)壁，溫度傳感器5位于流體管道中心。當(dāng)流體溫度大于環(huán)境溫度時(shí)，熱量由流體傳遞給導(dǎo)熱桿，導(dǎo)熱桿僅存在著一維軸向?qū)?，再把熱量傳遞給散熱器，散熱器通過(guò)輻射和對(duì)流傳熱將熱量傳遞給周圍環(huán)境，因此導(dǎo)熱桿的上下兩端形成溫度梯度，從而得出溫差和質(zhì)量流量的函數(shù)關(guān)系。流量計(jì)測(cè)得的參數(shù)為：插入流體管道中的流體溫度傳感器5測(cè)得的流體溫度T1，導(dǎo)熱桿下端溫度傳感器6測(cè)得的溫度T2，導(dǎo)熱桿上端溫度傳感器2測(cè)得的溫度易。用T1、T2、T3表示出待測(cè)流體的質(zhì)量流量qm。反之當(dāng)環(huán)境溫度高于流體溫度時(shí)，流量計(jì)的工作過(guò)程剛好是相反的，下面推導(dǎo)的質(zhì)量流量計(jì)算式同樣適用。
 
   導(dǎo)熱桿與流體的對(duì)流傳熱量Φ1計(jì)算式為：
    Φ1=hA1(T1-T2)    (1)
式中Φ1——導(dǎo)熱桿與流體的對(duì)流傳熱量，W
    h1——導(dǎo)熱桿裸露端頭的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
    A1——導(dǎo)熱桿裸露端頭的表面積，m2
    T1——流體溫度傳感器5測(cè)得的流體溫度，K
    T2——溫度傳感器6測(cè)得的溫度，K
   假設(shè)不考慮導(dǎo)熱桿的徑向?qū)幔鶕?jù)傳熱學(xué)定律，導(dǎo)熱桿的一維導(dǎo)熱量Φ2的計(jì)算式為：
   
式中Φ2——導(dǎo)熱桿的一維導(dǎo)熱量，W
    λ——導(dǎo)熱桿材料的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
    A2——導(dǎo)熱桿的截面積，m2
    T3——溫度傳感器2測(cè)得的溫度，K
    L——導(dǎo)熱桿兩端溫度傳感器的距離，即導(dǎo)熱桿的長(zhǎng)度，m
   努塞爾數(shù)Nu的關(guān)聯(lián)式為[6]：
    Nu=CRemPrn    (3)
式中Nu——努塞爾數(shù)
    C、m、n——質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)定系數(shù)
    Re——雷諾數(shù)
    Pr——普朗特?cái)?shù)
Nu的計(jì)算式為：
 
式中D——流體流過(guò)的管道內(nèi)徑，m
    λf——流體的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
由式(1)、(2)解得h，并結(jié)合式(3)、(4)得到待測(cè)流體質(zhì)量流量qm的計(jì)算式為：
 
式中qm——待測(cè)流體的質(zhì)量流量，kg/s
    v——流體流速，m/s
    ρ——流體的密度，kg/m3
    μ——流體的動(dòng)力黏度，Pa·s
    由式(5)可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體的物性參數(shù)為已知，只要知道T1、T2、T3就可以求出流體的質(zhì)量流量，因此這種質(zhì)量流量計(jì)既能測(cè)量氣體，又能測(cè)量液體的質(zhì)量流量。
3 數(shù)值仿真
3.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分
在GAMBIT中建立導(dǎo)熱桿的二維幾何模型見(jiàn)圖2。
 
    流體流經(jīng)的管道內(nèi)徑為20mm，長(zhǎng)度為404mm；導(dǎo)熱桿位于管道的中部，導(dǎo)熱桿的直徑為4mm，長(zhǎng)度為80mm，絕熱材料內(nèi)徑為4mm，外徑為44mm。圖2a為理想狀態(tài)，不考慮熱量損失，認(rèn)為熱量全由導(dǎo)熱桿導(dǎo)出。圖2b為實(shí)際狀態(tài)，導(dǎo)熱桿外設(shè)絕熱層，考慮到各種熱量損失。假設(shè)以圖2a為基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)比兩者的模擬結(jié)果來(lái)確定流量計(jì)的量程、精度等。網(wǎng)格劃分所采用的網(wǎng)格單元為Quad單元，即網(wǎng)格區(qū)域中只包含四邊形單元，由于模型比較規(guī)整，因此網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[7]。
3.2 FLUENT內(nèi)部參數(shù)及邊界條件設(shè)置
    選用分離求解器(segregated solver)，湍流模型選擇κ-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，其他設(shè)置保持默認(rèn)值[7]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)管道外部空氣的物性為操作溫度和壓力下的常量，操作溫度設(shè)置為300K，操作壓力為大氣壓力。流入管道的流體為水，其工作溫度為333K。絕熱材料為膨脹珍珠巖。
    邊界條件的設(shè)置為[7]：進(jìn)口采用速度入口條件(velocity-inlet)，出口設(shè)置為壓力出口邊界(pressure-outlet)。流體與導(dǎo)熱桿之間設(shè)為對(duì)流傳熱，絕熱層與空氣之間設(shè)置為自然對(duì)流傳熱。散熱器的發(fā)射率為0.03，絕熱層的發(fā)射率為0.8。兩種不同材料的壁面設(shè)置為耦合條件。
3.3 計(jì)算結(jié)果及分析
    溫度為333K的水在流速為1m/s情況下的模型溫度分布見(jiàn)圖3。由圖3可知，熱量由流體對(duì)流換熱傳遞給導(dǎo)熱桿，因此導(dǎo)熱桿下端溫度較高。由圖3b可知，熱量沿著導(dǎo)熱桿傳遞也避免不了導(dǎo)熱桿與絕熱材料的熱交換。為減少相應(yīng)的熱量損失應(yīng)采用絕熱性能較好的絕熱材料，在條件允許的情況下，也可以適當(dāng)增加絕熱層厚度。導(dǎo)熱桿將熱量傳遞給散熱器，散熱器與環(huán)境進(jìn)行換熱，因此散熱器也表現(xiàn)為中間與導(dǎo)熱桿接觸處溫度高，四周溫度低。散熱器也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以加肋片、增大散熱器的粗糙度來(lái)增大其發(fā)射率等，只要達(dá)到散熱快即可，這樣就可以減少流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間，測(cè)量時(shí)間更短，精度更高。
 
    由于工程上使用的標(biāo)準(zhǔn)管道內(nèi)的流速大致范圍為0～2.0m/s，因此本文使用FLUENT軟件模擬的流體流速即為0～2.0m/s，對(duì)不同流速下的質(zhì)量流量計(jì)的流場(chǎng)和性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。針對(duì)實(shí)際狀態(tài)，模擬了流體流速對(duì)導(dǎo)熱桿熱流量的影響。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)流速大于1.6m/s以后熱流量趨于平緩還有下降的趨勢(shì)，在0～1.6m/s內(nèi)熱流量隨著流體流速的增加而增加，符合湍流模型的條件，可以初步確定質(zhì)量流量計(jì)可用。
    不同流體流速下實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的質(zhì)量流量測(cè)量誤差見(jiàn)表1。由表1可知，流體流速在0.2～1.7m/s時(shí)，測(cè)量相對(duì)誤差趨于平穩(wěn)，低于3%，當(dāng)流速過(guò)小或過(guò)大時(shí)會(huì)影響其測(cè)量精度，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。綜上所述，該質(zhì)量流量計(jì)的有效量程范圍為0.2～1.6m/s。
表1 不同流體流速下實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的質(zhì)量流量測(cè)量相對(duì)誤差
流體流速/(m·s-1)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
相對(duì)誤差/%
9.52
2.34
2.03
2.54
1.74
1.93
1.87
流體流速/(m·s-1)
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
相對(duì)誤差/%
2.04
2.43
1.14
2.14
2.45
2.16
2.29
流體流速/m·s-1)
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
—
相對(duì)誤差/%
2.33
1.19
2.02
13.41
17.32
11.46
—
3.4 質(zhì)量流量計(jì)使用條件分析
    由于我們選用的各種材料都有影響其使用壽命的溫度限制，因此本文討論環(huán)境溫度的影響時(shí)環(huán)境溫度范圍設(shè)定為253～393K。下面分析流速為1m/s、溫度為333K的水，外界環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量誤差的影響(見(jiàn)表2)。由表2可知，在253～393 K的環(huán)境溫度內(nèi)測(cè)量相對(duì)誤差在3%左右，符合要求。當(dāng)環(huán)境溫度為313、353K時(shí)，即在流體與外界環(huán)境溫差為20℃時(shí)，導(dǎo)熱桿熱流量較小，相對(duì)誤差比較大。因此，當(dāng)環(huán)境與流體溫差小于20℃時(shí)不建議使用該質(zhì)量流量計(jì)。
表2 外界環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量相對(duì)誤差的影響
環(huán)境溫度/K
253
273
293
313
相對(duì)誤差/%
2.42
2.04
2.21
2.49
環(huán)境溫度/K
333
353
373
393
相對(duì)誤差/%
0.00
3.28
1.64
1.49
4 結(jié)論
    ① 該新型質(zhì)量流量計(jì)以溫差為動(dòng)力，不用對(duì)流體加熱，不會(huì)影響流體自身的性質(zhì)。通過(guò)理論論證與FLUENT軟件的綜合使用，可以使測(cè)量精度達(dá)到3%左右，因此該測(cè)量原理完全是可行的。
   ② 通過(guò)FLUENT的仿真指導(dǎo)了流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了以往研究中受工況條件的影響及實(shí)驗(yàn)量大等缺點(diǎn)。有效量程范圍為0.2～1.6m/s，當(dāng)環(huán)境與流體溫差小于20℃時(shí)不建議使用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 徐國(guó)強(qiáng)，鐘駿意.插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)[J].傳感器世界，2007，(9)：21-24.
[2] 蔡武昌.流量?jī)x表若干發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)儀器儀表，2001，(2)：46-48.
[3] 劉桂霞，沈興武.流量測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].化工裝備，2004，(1)：21-23.
[4] 鞏愛(ài)華，馬金權(quán)，朱成偉.熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)原理分析及其應(yīng)用[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，(3)：75-80.
[5] 彭聰，修吉平.新型熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的研制[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，(12)：57-59.
[6] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)(第3版)[M].北京：高等教育出版社，2002.
[7] 韓占忠.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.
 
    (本文作者：張婉萍 李世武 唐敏 西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院 陜西西安 710072)