进口来流条件对旋进旋涡流量计测量特性的影响

摘要

旋进旋涡流量计应用流体特有的流体振动现象，通过测量与流速成正比的振动频率实现流量的测量;对被测流体的温度、密度以及压力和粘度等物性变化不敏感，并具备低流速信号强、量程比宽的优点，使其在天然气和煤层气等气体流量测量领域被充分认可。
　　由于天然气输气管道系统中存在大量的旋转机械、阀门以及由于天然气本身物性变化导致的旋涡流、非均匀流以及气液两相流等不同特性的流动，对旋进旋涡流量计的内部流动产生影响并造成测量误差甚至无法测量，而目前对旋进旋涡流量计的研究却极少。因此本文以CFD数值模拟为基础，对均匀来流、扰动来流和气液两相流等不同来流条件下的旋进旋涡流量计流动特征和测量特性开展研究，从而理解和掌握旋进旋涡流量计的内部流场结构以及不同来流条件对流场分布和流动测量的影响。通过研究发现了以下的流动现象和结论:
　　1.旋进旋涡流量计内部流动特性研究。通过分析流体在旋进旋涡流量计内的流动，发现当进口为均匀流动时，由于起旋器螺旋流道和收缩段的作用，流体不断获得加速并在起旋器出口形成旋涡流;由于扩张段流道面积的快速增大导致下游出现回流，回流流体作用于旋涡流后，致使旋涡涡核偏离流道中心。涡核的偏离运动从流体进入喉部开始发生并随着流动发展而不断靠近测量管壁面，同时涡核绕流道中心轴随时间出现规律性的转动进而形成旋涡进动，旋涡进动对流量计内部的流场分布起决定性的作用。
　　2.测量管结构参数对旋进旋涡流量计内部流动作用研究。通过在均匀来流时不同收缩角、喉部长度、喉部直径和扩张角下的流量计内部三维湍流场的数值计算，发现测量管中的喉部直径和收缩角对流动状态起主导作用。收缩角决定流体在收缩段内的加速过程，收缩角的增大能提高收缩段和喉部的整体流速。喉部直径越小则流速越高，喉部末端监测点的压力脉动也越强;喉部直径的减小增大了旋涡进动频率，而流量计的测量损失则随喉部直径的增大而减小。通过将收缩角从11°减小至8°，喉部直径从32mm增大至37mm，对旋进旋涡流量计进行压损优化，实验证实改型旋进旋涡流量计在流量为70m3/h和100m3/h时，压损分别减小了22％和17.7％，并且能在10-150m3/h的范围内保证测量精度。
　　3.来流扰流对旋进旋涡流量计流动影响研究。管道中的阀门、收缩管等阻流件导致流量计进口流速的不均匀分布，对流量计内的流动产生干扰，进而影响测量准确性。通过模拟和实验分析，发现上游阻流件的开度越小则流量计内的流速越高，导致旋涡进动频率增大而造成测量的正偏差，并且小流量时的测量误差相对较大。特别是在开度为7％时的小开度工况下，最高测量误差达到30％以上，严重影响了旋进旋涡流量计的正常测量。开度越大，流量计进口直管段越长，则流量计内的流动受影响越小。在进口直管段长度在5D及以上时，旋进旋涡流量计的测量已经基本不受阻流件的干扰。进口来流为旋涡流时，不同的旋涡方向对流量计的影响不同。其中，正向旋涡会减小流量计进口熵产进而减小流量计内的压力损失，而反向旋涡的作用则相反。正向旋涡在不同长度安装直管段作用下，始终产生测量负偏差;而反向旋涡在大流量和小流量时出现了不同的影响规律，大流量时随着安装直管段的增加出现了测量负偏差。
　　4.气液两相流对旋进旋涡流量计测量影响研究。两相流测量时，由于液相的存在导致了气相在流量计内的流动速度下降;而液相含率越高，则流量计内的液相和气相的流速越低。气相流速的降低使其在喉部无法形成稳定和强烈的旋涡流，进而导致旋涡进动现象的逐渐消失，喉部末端的压力脉动强度大幅下降。液相体积分数为1％时的喉部末端截面内的压差降至气体单相流动时的15％左右。两相流测量实验发现，当液相含率低于0.2％时，旋进旋涡流量计内的流动受液相影响较小，测量误差在3％左右。液相含率超过1.1％时，流量计在实验中输出信号不稳定，已经基本不能进行正常的流动测量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 流量计测量特性研究

1．2．2 扰流对流量计流动和测量影响研究

1．2．3 流量计气液两相流动测量研究

1．2．4 旋进旋涡流量计研究现状

1．3 小结

1．4 本文的主要研究内容

第二章 旋进旋涡流量计数值模拟和实验研究方法

2．1 引言

2．2 旋进旋涡流量计数值计算方法

2．2．1 控制方程

2．2．2 k-ε模型

2．2．3 Euler模型

2．2．4 熵产理论

2．3 旋进旋涡流量计全流场瞬态数值计算参数设置

2．4 旋进旋涡流量计标定实验和气液两相流实验

2．4．1 标定实验

2．4．2 气液两相测量实验

2．5 本章小结

第三章 旋进旋涡流量计流动特性研究

3．1 旋涡进动特性分析

3．2 测量管对内部流动影响分析

3．2．1 收缩角

3．2．2 喉部长度

3．2．3 喉部直径

3．2．4 扩张角

3．3 基于减少压损的旋进旋涡流量计改型设计

3．4 实验验证

3．5 本章小结

第四章 旋进旋涡流量计扰流工况下的测量特性研究

4．1 非均匀流对旋进旋涡流量计测量影响

4．1．1 小开度下的流量计内部流动分析

4．1．2 开度对流量计流动影响研究

4．1．3 流量计进口安装直管段长度的影响研究

4．2 旋涡流对旋进旋涡流量计测量影响

4．3 实验验证

4．4 本章小结

第五章 旋进旋涡流量计气液两相测量特性研究

5．1 液相含率对内部流动影响

5．2 工况压力对流动影响研究

5．3 旋进旋涡流量计气液两相测量实验

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 本文创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢