非侵入式质量流量测量原理的数值模拟与实验研究

摘要

工业生产中需要进行流量测量和流量状态检测，在流量测量的同时要克服工业生产中高粘度、腐蚀性的流体介质以及对精度和压损等的要求。在充分考虑了流量计的工作环境和测量要求基础上，同时对现有各式流量计做了仔细分析之后，本文提出了一种新型的非侵入式质量流量测量原理。
　　非侵入式质量流量测量原理是利用重力场下流体介质质量流量变化时，流体介质重力和流体介质内压对管壁造成的综合应力作为切入点，采用应变测量技术采集管壁应变，然后建立管壁应变差与流体流量的线性方程，最后通过实时采集管壁应变差计算对应质量流量以实现质量流量的非侵入式测量。
　　首先结合材料力学、弹性薄壳力学及管道流体力学等推导出流体介质管壁的综合应变模型，经过细致分析后初步得出管壁应变差与流体质量流量的理论公式，证实了基于重力场的质量流量测量原理的可行性，并为后续仿真分析和实验研究奠定了理论基础。
　　其次考虑到管壁应变是介质流体与管道结构在耦合状态下的综合作用，故采用流固耦合作用(FSI)来进行管壁应变的数值模拟，应用ANSYS Workbench软件中FLUENT(流体动力学分析模块)和Static Structural（静力学线性分析模块）进行单向流固耦合模拟:先在流体动力学分析模块中求解流体介质流场的运动状态和压力分布规律，然后在静力学线性分析模块中将流体介质的流场压力作为载荷加载到管道和流体的耦合面上，施加重力场后求解出在管壁表面的应变分布规律。根据仿真数据，拟合出管壁中顶部和底部轴向应变差与流体流量呈现出较好的线性拟合特性，进一步证实了非侵入式质量流量测量原理的可行性。
　　依靠实验室现有管道实验台，利用全桥应变片和uT7816动静态应变采集分析仪搭建应变采集分析系统。依据仿真分析结果，选择标准阻值为1000Ω的四片高精度应变片分别贴在实验管道（仿真得到的应变最大值处）的顶部和底部组成全桥方式，再接入测量系统以获得最佳数据。实验过程中应变采集系统能有效采集到应变差且反应灵敏，经过多次实验，并记录、处理实验结果。实验数据的拟合直线也达到了较好的线性度和灵敏度，表明本测量原理可以在不破坏流场运动状态的情况下对流体介质流量进行有效的测量，为化工企业流量测量和管道流量状态监测提供了一种新的思路。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 非侵入式流量测量原理的研究现状

1．3 本文的研究目的、意义和主要研究内容

2 非侵入式质量流量测量原理的理论分析

2．1 流量测量原理的基础理论

2．1．1 流速与流量

2．1．2 应力与应变

2．1．3 单相流与单向流

2．2 测量原理的力学模型综合应力分析

2．2．1 内压作用下的力学模型的应力分析

2．2．2 流体重力作用的简支结构模型的应力分析

2．2．3 流体阻力作用下的力学模型的应力分析

2．3 应变差与质量流量的关系

2．4 拟合公式的讨论

2．5 本章小结

3 非侵入式流量测量原理的模型仿真分析

3．1 ANSYS Workbench软件的介绍

3．1．1 FLUENT流体动力学仿真模块的介绍

3．1．2 Static Structural静力学线性分析模块介绍

3．2 流固耦合方法的介绍与模型搭建

3．2．1 流固耦合问题的主要研究方法

3．2．2 流固耦合方法的研究现状

3．2．3 单向流固耦合分析方法

3．2．4 单向流固耦合模型建立

3．3 流体动力学模型仿真

3．3．1 建立仿真分析模型

3．3．2 流体区域的网格划分

3．3．3 湍流模型理论

3．3．4 求解设置及结果获取

3．4 静力学模型结构仿真

3．4．1 模型材料属性的设置

3．4．2 模型导入

3．4．3 模型网格划分

3．4．4 模型载荷与约束施加

3．4．5 耦合模型的求解计算

3．5 实验台模型的求解计算与结果分析

3．5．1 实验台模型应变值最大值、最小值位置的确定

3．5．2 实验台模型仿真分析结果

3．6 本章小结

4 非侵入式测量原理实验分析

4．1 应变测量系统的搭建

4．1．1 实验台的简单介绍

4．1．2 应变片的选择与测点布置

4．1．3 应变片系统的连接

4．2 应变采集系统的参数设置与调试

4．3 实验数据的采集

4．4 实验数据结果与分析

4．5 大管径下测量原理的数值模拟仿真

4．6 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究

致谢