Кондиционирование потока гарантирует, что среда «реального мира» максимально приближена к « лабораторной » среде для надлежащей работы инференциальных расходомеров, таких как диафрагменные , турбинные , кориолисовы , ультразвуковые и т. д.
По сути, поток в трубах можно классифицировать следующим образом:
Стабилизаторы потока, показанные на рис. (а), можно разделить на следующие три типа:
Выпрямляющие устройства, такие как соты и лопасти, вставленные перед расходомером, могут сократить требуемую длину прямой трубы. Однако они обеспечивают лишь незначительное улучшение точности измерений и могут по-прежнему требовать значительной длины прямой трубы, что может не позволить тесное место установки.
Выпрямитель потока , иногда называемый сотами , — это устройство, используемое для выпрямления воздушного потока в аэродинамической трубе. Это канал воздуховодов, проложенных вдоль оси основного воздушного потока для минимизации боковых компонентов скорости, вызванных вихревым движением в воздушном потоке при входе. Формы поперечного сечения этих «сот» могут быть квадратными, круглыми и правильными шестиугольными ячейками.
Недорогой выпрямитель потока можно построить с использованием питьевых соломинок , поскольку они имеют низкую стоимость и хорошую эффективность. Телевизионное шоу MythBusters использовало такую конструкцию для своей аэродинамической трубы, как и экспериментальная аэродинамическая труба в Массачусетском технологическом институте (Maniet). Соломинки следует разрезать на одинаковые размеры и поместить в рамку.
Эффективность сот в снижении уровня завихрения и турбулентности изучается путем моделирования поля потока с использованием стандартной модели турбулентности k-ε в коммерческой вычислительной гидродинамике (CFD). CFD является наиболее точным и экономичным подходом для оценки эффективности сот.
Вычислительная модель
Создается вычислительная область сот, как показано на рис. 1.
Мы знаем, что вычислительно очень сложно обеспечить реалистичный неравномерный поток на входе в соты, как это было в экспериментах. Такие случайные условия входа по сути имитируют реалистичный случай, в котором воздух может входить в соты с любого направления и на любом уровне турбулентности. Поэтому для введения практических условий входа разработан специальный домен
Сетка вычислительных моделей
Твердая модель сот построена в GAMBIT 2.3.16. Как показано на рис. 2. Для моделирования с квадратной конфигурацией сот используется структурированная прямоугольная сетка. Управляющие уравнения для сохранения массы и импульса для дозвукового потока вместе с уравнениями для турбулентности и пористого потока решаются для сот с использованием коммерческого CFD. Для моделирования турбулентности используется модель RANS типа RNG k-ε.
Граничные условия
Отдельный домен, созданный выше по потоку от сот, снабжен различными входными условиями для достижения беспорядочного движения на выходе, которое должно быть задано как вход в ячейки сот. Это по сути имитирует более реалистичный случай, когда поток может войти в соты с любого направления. Характеристики этого входа вместе с другими необходимыми граничными условиями указаны здесь. Поток на входе в соты обязательно должен иметь турбулентные и завихряющиеся движения. Поэтому для включения этих требований строится отдельный домен жидкости.
Верхняя и нижняя круговые грани рассматриваются как вход в эту область, чтобы получить поле потока с более высокой величиной боковой скорости. Эта область снабжена вертикальными и горизонтальными цилиндрами в качестве препятствия для входа, чтобы создать достаточную завихренность на выходе этой секции. Для этой геометрии создается тетраэдрическая сетка, показанная на рис. 3 с тетраэдрическими элементами. Количество узлов составляет 1,47,666. Три грани этой конфигурации указаны как входы с граничными условиями скорости. Скорость жидкости на этих входных гранях была взята таким образом, чтобы усредненная средняя скорость на выходе составляла 1 м/с, что соответствует рабочей аэродинамической трубе.
Граничное условие давления на выходе используется на выходе из отстойной камеры, где давление на выходе установлено на ноль для манометрического давления. Всегда можно предсказать все поле потока, построив сетку для всей области жидкости; однако моделирование для прогнозирования всего поля потока с использованием граничного условия симметрии. Этот подход снижает требования к сетке и вычислительные усилия. Поэтому граница симметрии используется на периферии вычислительной области.
Все твердые границы в вычислительной области заданы как вязкие стенки с граничным условием нескользящей стенки. Профиль интенсивности турбулентности на выходе из модели турбулентности показан на рис. 4. Этот рисунок показывает интенсивность турбулентности, которая максимальна в центре (30%), а у стенок составляет около 16-18%, теперь этот профиль включен внутрь сот, как показано на рис. 2, профиль интенсивности турбулентности, выходящий из сот, показан на рис. 5. На этом профиле мы видим, что интенсивность турбулентности снижается с 30% до 1,2% в центре и с 16% до 3,5%, это означает, что эффективность сот очень высока и составляет около 96%.
Природный газ , который несет с собой много жидкости, известен как влажный газ , тогда как природный газ, который добывается без жидкости, известен как сухой газ . Сухой газ также обрабатывается для удаления всех жидкостей. Эффект кондиционирования потока для различных популярных счетчиков, который используется при измерении газа, объясняется ниже.
Наиболее важными, а также наиболее сложными для измерения аспектами измерения расхода являются условия потока в трубе перед счетчиком. Условия потока в основном относятся к профилю скорости потока , неровностям в профиле, изменяющимся уровням турбулентности в пределах профиля скорости потока или интенсивности турбулентности, завихрению и любым другим характеристикам потока жидкости, которые заставят счетчик регистрировать поток, отличный от ожидаемого. Это изменит значение по сравнению с исходным состоянием калибровки , называемым эталонными условиями, которые свободны от эффектов установки. [1]
Эффекты установки, такие как недостаточно прямая труба, исключительная шероховатость или гладкость трубы, колена, клапаны , тройники и редукторы, приводят к тому, что условия потока в трубе отличаются от эталонных условий. То, как эти эффекты установки влияют на счетчик, очень важно, поскольку устройства, которые создают эффекты установки выше по потоку, являются обычными компонентами любой стандартной конструкции счетчика. Кондиционирование потока относится к процессу искусственного создания эталонного, полностью развитого профиля потока и имеет важное значение для обеспечения точного измерения при сохранении конкурентоспособной по стоимости стандартной конструкции счетчика. Коэффициенты калибровки счетчика действительны только при наличии геометрического и динамического подобия между условиями измерения и калибровки. В механике жидкостей это обычно называют законом подобия. [2]
Принцип закона подобия широко используется для теоретических и экспериментальных гидравлических машин. Что касается калибровки расходомеров, закон подобия является основой для стандартов измерения расхода. Чтобы удовлетворить закон подобия, концепция центрального объекта требует геометрического и динамического подобия между лабораторным счетчиком и установленными условиями этого же счетчика в течение всего периода передачи данных . Этот подход предполагает, что выбранная технология не проявляет значительной чувствительности к эксплуатационным или механическим изменениям между калибровками. Коэффициент счетчика, определенный во время калибровки, действителен, если существует как динамическое, так и геометрическое подобие между полевой установкой и лабораторной установкой артефакта. Надлежащая экспериментальная модель производителя определяет чувствительные области для исследования, измерения и эмпирической настройки. Рекомендованный производителем метод корреляции является рациональной основой для прогнозирования производительности при условии, что физика не меняется. Например, физика отличается для дозвукового и звукового потока. Чтобы удовлетворить закон подобия, концепция калибровки на месте требует геометрического и динамического подобия между калиброванным счетчиком и установленными условиями этого же счетчика в течение всего периода передачи данных. Этот подход предполагает, что выбранная технология не проявляет значительной чувствительности к эксплуатационным или механическим изменениям между калибровками. Фактор счетчика, определенный во время калибровки, действителен, если в «полевой установке счетчика» существует как динамическое, так и геометрическое сходство в течение всего периода передачи. [3]
Наиболее часто используемым описанием условий потока в трубе является профиль скорости потока. На рис.(1) показан типичный профиль скорости потока для измерения природного газа. [4] Форма профиля скорости потока задается следующим уравнением, ---- (1)
Значение n определяет форму профиля скорости потока. Уравнение (1) можно использовать для определения формы профиля потока внутри трубы путем подгонки кривой к экспериментально измеренным данным скорости. В 1993 году скорости поперечного потока измерялись в среде природного газа высокого давления с использованием технологии горячей проволоки для выполнения подгонки данных. Полностью развитый профиль потока использовался в качестве исходного состояния для калибровки счетчика и определения коэффициента расхода (Cd). Для числа Рейнольдса до n приблизительно равно 7,5; для Re от n приблизительно равно 10,0, где предполагался полностью развитый профиль в гладкой трубе. Поскольку n является функцией числа Рейнольдса и коэффициента трения , более точные значения n можно оценить с помощью уравнения (2), ---- (2)
Где f — коэффициент трения. [5] Хорошая оценка полностью развитого профиля скорости может быть использована для тех, у кого нет соответствующего оборудования для фактического измерения скоростей потока внутри трубы. Следующая эквивалентная длина прямой трубы в ур. (3) использовалась для обеспечения существования полностью разработанного профиля потока. [6] ---- (3)
В ур. (3) требуемая длина трубы значительна, поэтому нам нужны некоторые устройства, которые могут обуславливать поток по более короткой длине трубы, позволяя измерительным пакетам быть конкурентоспособными по цене и точными. Здесь профиль скорости потока, как правило, трехмерный. Обычно описание не требует указания осевой ориентации, если профиль асимметричен, а если он существует, то требуется осевая ориентация относительно некоторой подходящей плоскости отсчета. Асимметрия существует ниже по потоку от эффектов установки, таких как колена или тройники. Обычно профиль скорости потока описывается в двух плоскостях, расположенных под углом 90° друг к другу. Используя новейшие программные технологии, возможно полное описание поперечного сечения трубы профиля скорости при условии предоставления достаточного количества точек данных.
Второе описание состояния поля потока внутри трубы — интенсивность турбулентности. Согласно эксперименту 1994 года, ошибки измерения могут существовать даже тогда, когда профиль скорости потока полностью развит при идеальных условиях потока в трубе. И наоборот, было обнаружено, что нулевая ошибка измерения была обнаружена в моменты, когда профиль скорости не был полностью развит. Поэтому это поведение было отнесено к интенсивности турбулентности потока газа, которая может вызвать ошибку смещения измерения. Это поведение частично объясняет неадекватную производительность обычного пучка труб. [7]
Третье описание состояния поля потока — завихрение. Завихрение — это тангенциальная составляющая потока вектора скорости. Профиль скорости следует называть профилем осевой скорости. Поскольку вектор скорости можно разложить на три взаимно ортогональных компонента, профиль скорости представляет только осевую составляющую скорости. Рис. (2) показывает угол завихрения, который объясняет определение завихрения потока и угла завихрения. Обратите внимание, что завихрение обычно относится к полному вращению тела (то, при котором весь поток трубопровода следует одной оси завихрения). В реальных условиях трубопровода, например, ниже по течению от колен, могут присутствовать два или более механизмов завихрения.
Состояние потока может влиять на производительность и точность устройств, измеряющих поток.
Основное уравнение массового расхода через диафрагму, представленное API 14.3 и ISO 5167, задается как, ----(4) Где, = Массовый расход = Коэффициент расхода = Коэффициент скорости подхода
Y = Коэффициент расширения
d = Диаметр отверстия = Плотность жидкости = Перепад давления
Теперь, чтобы использовать уравнение (4), поле потока, входящее в диафрагму, должно быть свободным от завихрений и иметь полностью развитый профиль потока. Стандарты API 14.3 (1990) и ISO определили коэффициент расхода, выполнив многочисленные калибровочные испытания, в которых указанный массовый расход сравнивался с фактическим массовым расходом для определения коэффициента расхода. Во всех испытаниях общим требованием был полностью развитый профиль потока, входящего в диафрагму. [8] Поэтому точные конструкции счетчиков, соответствующие стандарту, должны гарантировать, что на диафрагму попадает полностью развитый профиль потока без завихрений. Для этого существует множество методов. Эти методы обычно известны как «кондиционирование потока». Первый вариант установки — вернуться к отсутствию кондиционирования потока, но достаточная длина труб должна быть обеспечена уравнением (2), упомянутым выше. Это, как правило, делает производственные затраты на установку измерения потока нереалистичными из-за чрезмерно длинных измерительных трубок; Представьте себе измерительные трубки длиной 75 диаметров.
Вторым и наиболее известным вариантом является 19-трубный трубный пучок кондиционера потока. Большинство установок потока в Северной Америке содержат трубный пучок. С помощью горячей проволоки, трубки Пито и лазерных компьютеризированных измерительных систем, которые позволяют детально измерять профиль скорости и интенсивность турбулентности; мы знаем, что трубный пучок не обеспечивает полностью развитого потока. [9] Поэтому это устройство вызывает смещенное измерение расхода отверстия. В результате этих недавних открытий для измерения расхода указано немного трубных пучков, что сокращает использование такого устройства. Доступны многочисленные ссылки, предоставляющие результаты производительности, указывающие на менее приемлемые характеристики счетчика при использовании обычного 19-трубного испытательного пучка. [10] Отдельные результаты следует рассмотреть, чтобы выяснить такие детали, как бета-коэффициент, длины измерительной трубки, Re и условия испытаний.
Общие признаки таковы, что обычный трубный пучок приведет к тому, что установка диафрагмы будет перерегистрировать значения потока до 1,5%, когда трубный пучок находится на расстоянии от 1 до примерно 11 диаметров трубы от диафрагмы. Это вызвано плоским профилем скорости, который создает более высокие дифференциальные давления, чем при полностью развитом профиле. Существует область перехода от примерно 10 до 15 диаметров трубы, где диапазон погрешности приблизительно равен нулю. Затем происходит небольшая недорегистрация потоков на расстояниях между примерно 15 и 25 диаметрами трубы. Это связано с пиковым профилем скорости, который создает более низкие дифференциальные давления, чем полностью развитой профиль. На расстояниях более 25 диаметров трубы погрешность асимптотируется к нулю. Рис. (3) показывает производительность обычного трубного пучка, объясняющую типичное характерное поведение популярного 19-трубного трубного пучка. Дополнительным недостатком обычного 19-трубного трубного пучка является изменение размеров. Обычный трубный пучок дает ошибки, которые во многом зависят от деталей установки, то есть отводов на плоскости и вне ее, тройников, клапанов и расстояний от последней установки трубы до кондиционера и кондиционера до пластины с отверстием. Эти ошибки имеют большое значение. Поэтому последние результаты, касающиеся производительности обычного трубного пучка, должны быть рассмотрены до проектирования и установки измерительной станции. Окончательный вариант установки для измерения с отверстием — это кондиционеры потока с перфорированными пластинами. На рынке представлено множество перфорированных пластин. Эти устройства, как правило, предназначены для устранения недостатков обычного трубного пучка ( недостаточная точность и повторяемость ). Читателю рекомендуется тщательно изучить производительность выбранной перфорированной пластины перед установкой. Для определения производительности следует использовать руководство по испытанию производительности кондиционера потока. [11] Ключевыми элементами испытания кондиционера потока являются:
Турбинный расходомер доступен в различных конфигурациях производителей общей темы: турбинные лопатки и роторные устройства. Эти устройства спроектированы таким образом, что при прохождении через них газового потока они будут вращаться пропорционально количеству газа, проходящего через лопатки, повторяющимся образом. Затем точность обеспечивается выполнением калибровки, указывающей соотношение между скоростью вращения и объемом при различных числах Рейнольдса. Фундаментальное различие между расходомером с диафрагмой и турбинным расходомером заключается в выводе уравнения потока. Расчет расхода расходомера с диафрагмой основан на основах потока жидкости ( вывод 1-го закона термодинамики, использующий диаметр трубы и диаметры vena contracta для уравнения непрерывности ). Отклонения от теоретических ожиданий можно предположить в соответствии с коэффициентом расхода. Таким образом, можно изготовить расходомер с диафрагмой с известной неопределенностью , имея под рукой только стандарт измерения и доступ к механическому цеху. Необходимость кондиционирования потока и, следовательно, полностью развитого профиля скорости потока обусловлена первоначальным определением Cd, в котором использовались полностью развитые или «эталонные профили», как объяснялось выше.
Напротив, работа турбинного счетчика не имеет глубоких корней в основах термодинамики. Это не означает, что турбинный счетчик в любом случае является неполноценным устройством. Существуют надежные инженерные принципы, обеспечивающие теоретическую основу. По сути, это чрезвычайно воспроизводимое устройство, точность которого затем гарантируется посредством калибровки. Калибровка обеспечивает точность. Она выполняется в хороших условиях потока (условия потока без завихрения и равномерный профиль скорости потока), это выполняется для каждого изготовленного счетчика. Отклонения от условий калибровки будут считаться эффектами установки, и чувствительность турбинного счетчика к этим эффектам установки представляет интерес. Необходимость кондиционирования потока обусловлена чувствительностью счетчика к отклонениям от условий калибровки вихря и профиля скорости. В целом, недавние исследования показывают, что турбинные счетчики чувствительны к завихрению, но не к форме профиля скорости. Рекомендуется равномерный профиль скорости, но не указаны строгие требования к полностью развитым профилям потока. Также не наблюдается существенных ошибок при установке турбинных счетчиков с одним или двумя роторами ниже по потоку от двух колен, расположенных вне плоскости, без устройств кондиционирования потока. [12] [13]
Из-за относительного возраста технологии может быть полезно обсудить работу многолучевого ультразвукового расходомера, чтобы проиллюстрировать эффекты искажения профиля потока и завихрения. Существуют различные типы измерений потока с использованием высокочастотного звука. Устройства измерения коммерческого учета, доступные сегодня, используют концепцию времени прохождения. Разница во времени прохождения с потоком сравнивается со временем прохождения против потока. Эта разница используется для выведения средней скорости потока на звуковом пути. [14] Рис. (5) показывает звуковой путь ультразвукового расходомера без потока, который иллюстрирует эту концепцию.
Результирующее уравнение потока для средней скорости, испытываемой звуковым путем, задается как ----(5)
Случай отсутствия потока дает фактический путь звука при нулевом потоке (приравнивая уравнение (5) к нулю). В случае теоретического профиля потока, скажем, профиля потока с равномерной скоростью, где условие отсутствия проскальзывания на стенках трубы не применяется, на рис. (6) показан путь звука ультразвукового измерителя - профиль равномерной скорости, который иллюстрирует результирующий путь звука.
Теоретический вывод уравнения средней скорости для этого звукового пути становится намного сложнее. В случае идеального полностью разработанного реального профиля скорости ультразвукового расходомера, который показан на рис. (7), указывающего возможный звуковой путь в результате установки в реальном потоке.
Здесь математический вывод для этого ультразвукового счетчика также становится очень сложным. Разработка надежного алгоритма потока для расчета средней скорости потока для звукового пути может быть довольно сложной. Теперь добавьте к этому; отражение звукового пути от стенки трубы, многолучевое распространение для добавления степеней свободы, завихрение и отклонение от осесимметричного полностью развитого профиля потока и проблема интеграции фактического профиля скорости потока для получения объемного расхода может быть достижением. Следовательно, реальная производительность ультразвуковых счетчиков ниже по потоку от возмущений, и требуется необходимость в калибровке. [15]
Измеритель Кориолиса, показанный на рис. (8), очень точен в однофазных условиях, но неточен для измерения двухфазных потоков. Он создает сложную проблему взаимодействия структуры жидкости в случае двухфазной работы. Существует дефицит теоретических моделей, доступных для прогнозирования ошибок, сообщаемых измерителем Кориолиса в вышеупомянутых условиях.
Кондиционеры потока не влияют на точность счетчика при использовании влажного газа из-за кольцевого режима потока, на который кондиционеры потока не сильно влияют. В однофазных условиях расходомер Кориолиса дает точные измерения даже при наличии серьезных возмущений потока. Нет необходимости в кондиционировании потока перед счетчиком, чтобы получить точные показания от него, что было бы в случае других измерительных технологий, таких как диафрагма и турбина. С другой стороны, в двухфазных потоках счетчик постоянно дает отрицательные ошибки. Использование кондиционеров потока явно влияет на показания счетчика в аэрированных жидкостях. Это явление можно использовать для получения довольно точной оценки расхода в потоках жидкости с низкой объемной долей газа. [16]
Кондиционирование потока оказывает огромное влияние на точность турбинного расходомера жидкости, что приводит к возмущениям потока. Эти эффекты в основном вызваны мусором на сетчатых фильтрах, для различных геометрий трубопроводов вверх по потоку и различных типов кондиционеров потока. Эффективность кондиционера потока может быть определена следующими двумя ключевыми измерениями:
![{\displaystyle {\frac {U_{y}}{U_{max}}}=\left[1-{\frac {Y}{R}}\right]^{1/n}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3132256480946f68fa254cc284f5759e8130ce0a)
![{\displaystyle Диаметры труб=4,4D\left[R_{e}\right]^{1/6}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0d68ee47a42f35a08c605eba40b951b3ed854074)
^{2}{\sqrt {2\rho \Delta P}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ea2641c3d26933925e8c5cd0f72884d960ffefca)
![{\displaystyle {\bar {V}}_{flow}=\left[{\frac {1}{T_{ab}}}-{\frac {1}{T_{ba}}}\right]\left[{\frac {Dist_{Soundpath}}{2\cos \phi }}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b896405f2fb42f3a8d233b4957ac8863dd65839)