涡轮流量传感器在不同流体条件下测量性能的研究

摘要

涡轮流量传感器是一种速度式流量传感器，它具有精度高、重复性好、量程范围宽、体积小等优点，因此被广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、食品等工业领域中。由于涡轮流量传感器应用现场条件复杂，被测流体流动情况也不尽相同，因此研究涡轮流量传感器在不同流体条件下的测量性能，对扩大涡轮流量传感器应用领域具有重要现实意义。本研究主要内容如下： ⑴提出了环形通道内混合流体的虚拟速度剖面指数，分析了混合流体中气泡对叶片的阻力影响，建立了涡轮流量传感器测量泡状流的数学模型，得出虚拟速度剖面指数随体积含气率变化的规律。通过理论结果与实验结果的比较，证明该模型具有较好的预测精度。 ⑵采用气液两相混合模型对涡轮流量传感器测量体积含气率低于10％的水平气液两相泡状流进行了数值仿真，根据流场分析得出的结论，提出以现有传感器与改进传感器的仪表系数迁移量仿真值的对比为判定依据，对现有传感器进行了改进设计。实流实验结果表明，改进传感器测量气液两相流的性能优于现有传感器，从而验证了该改进方法的有效性。 ⑶以涡轮流量传感器量程范围内线性度误差最小为目标函数，根据四个叶轮特征参数和传感器测量单相流的数学模型，采用多变量非线性规划优化算法，提出了降低涡轮流量传感器线性度误差的优化设计方法。以50 mm和25 mm口径的传感器为例进行优化设计，通过优化前、后传感器实流实验结果比较，验证了该优化设计方法的有效性。 ⑷分别采用S-A模型、标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和标准k-ω模型五种湍流模型，对涡轮流量传感器测量单相流进行了仿真研究，结果显示使用标准k-ω模型可以更加准确地反映传感器内部流场，预测传感器仪表系数和特性曲线。 ⑸对3台具有不同导程叶轮的涡轮流量传感器，测量体积含气率低于10％的水平气液两相泡状流的特性进行了实验研究。得出了不同含气率下传感器的两相流量特性曲线与仪表系数迁移量曲线，同时得出叶轮导程值大小影响着传感器测量误差值。对体积含气率变化影响涡轮流量传感器特性的物理机理以及造成传感器测量特性改变与误差的原因进行了分析讨论。

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第一章绪论

1.1涡轮流量计在工业中的应用

1.2涡轮流量传感器理论发展

1.3涡轮流量传感器测量性能的研究现状

1.4本论文的研究内容

第二章降低涡轮流量传感器线性度误差的研究

2.1引言

2.2叶轮特征参数

2.3特征参数的约束条件

2.4目标函数

2.5数学模型

2.6优化算法与优化流程

2.7优化结果及实验验证

2.8小结

第三章涡轮流量传感器测量单相流的数值仿真模型研究

3.1研究涡轮流量传感器数值仿真模型的意义

3.2计算流体力学概述

3.3传感器仿真模型的建立

3.4湍流模型

3.5数值模拟

3.6结果与分析

3.7小结

第四章涡轮流量传感器测量气液两相流的数值仿真

4.1两相流计算数学模型概述

4.2物理模型

4.3控制方程

4.4数值仿真

4.5仿真结果分析

4.6传感器改进设计

4.7小结

第五章涡轮流量传感器测量水平气液两相泡状流的实验研究

5.1实验研究

5.2数据处理与实验结果

5.3误差原因的机理分析

5.4小结

第六章涡轮流量传感器泡状流数学模型

6.1引言

6.2虚拟速度剖面指数

6.3涡轮流量传感器泡状流数学模型

6.4虚拟速度剖面指数预测

6.5数学模型检验与分析

6.6小结

第七章总结与建议

7.1总结

7.2建议

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢