新型質量流量計的仿真模擬與研究

摘 要

摘要：介紹了新型質量流量計的結構、測量原理，采用FLUENT軟件對該質量流量計進行仿真模擬。模擬分析了適用于該質量流量計的流體流速范圍、環境溫度范圍。適用于該質量流量計的
摘要：介紹了新型質量流量計的結構、測量原理，采用FLUENT軟件對該質量流量計進行仿真模擬。模擬分析了適用于該質量流量計的流體流速范圍、環境溫度范圍。適用于該質量流量計的流體流速范圍為O.2～1.6m/s。當流體流速為1m/s、溫度為60℃時，適用于該質量流量計的環境溫度范圍為-20～120℃。當環境與流體溫差小于20℃時，不建議采用該質量流量計。
關鍵詞：質量流量計；流量測量；精度；數值模擬
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
    流量測量是工業生產過程、科學實驗計量的重要步驟，是能源計量的重要組成部分。它對于保證產品質量，提高生產效率，節約能源都有很重要的作用[1]。目前，測量流量的儀表種類繁多[2、3]，但大部分都不能直接測得質量流量，熱式氣體質量流量計是國際上一種新型流量計，它能夠直接測量氣體的質量流量[4、5]。國內對熱式質量流量計的研究起步較晚，大部分的熱式質量流量計都是進口的，價格昂貴，國內產品性能達不到國外同類產品的水平。
    因此，研究高質量的質量流量計是流體流量測量領域的發展趨勢，也是工業生產過程和科學實驗計量所企盼的。FLUENT作為世界上較先進的CFD軟件，在流體計算中得到了廣泛的應用，一些研究者也已經成功地將它用于開發流量計的流場仿真中，在流量計的研究中不僅減少了研究成本和開發周期，而且對流量計的改進具有很好的指導作用。因此，本文在熱式質量流量計的基礎上研究一種新型的質量流量計，并通過FLUENT軟件對其進行仿真研究和指導設計。
2 質量流量計的測量原理
質量流量計的結構見圖1，這種新型的質量流量計是在熱式質量流量計的基礎上演變而來的，是以管外環境與管內流體之間的溫差作為動力。溫度傳感器6位于流體管道內壁，溫度傳感器5位于流體管道中心。當流體溫度大于環境溫度時，熱量由流體傳遞給導熱桿，導熱桿僅存在著一維軸向導熱，再把熱量傳遞給散熱器，散熱器通過輻射和對流傳熱將熱量傳遞給周圍環境，因此導熱桿的上下兩端形成溫度梯度，從而得出溫差和質量流量的函數關系。流量計測得的參數為：插入流體管道中的流體溫度傳感器5測得的流體溫度T1，導熱桿下端溫度傳感器6測得的溫度T2，導熱桿上端溫度傳感器2測得的溫度易。用T1、T2、T3表示出待測流體的質量流量qm。反之當環境溫度高于流體溫度時，流量計的工作過程剛好是相反的，下面推導的質量流量計算式同樣適用。
 
   導熱桿與流體的對流傳熱量Φ1計算式為：
    Φ1=hA1(T1-T2)    (1)
式中Φ1——導熱桿與流體的對流傳熱量，W
    h1——導熱桿裸露端頭的平均表面傳熱系數，W/(m2·K)
    A1——導熱桿裸露端頭的表面積，m2
    T1——流體溫度傳感器5測得的流體溫度，K
    T2——溫度傳感器6測得的溫度，K
   假設不考慮導熱桿的徑向導熱，根據傳熱學定律，導熱桿的一維導熱量Φ2的計算式為：
   
式中Φ2——導熱桿的一維導熱量，W
    λ——導熱桿材料的熱導率，W/(m·K)
    A2——導熱桿的截面積，m2
    T3——溫度傳感器2測得的溫度，K
    L——導熱桿兩端溫度傳感器的距離，即導熱桿的長度，m
   努塞爾數Nu的關聯式為[6]：
    Nu=CRemPrn    (3)
式中Nu——努塞爾數
    C、m、n——質量流量計標定系數
    Re——雷諾數
    Pr——普朗特數
Nu的計算式為：
 
式中D——流體流過的管道內徑，m
    λf——流體的熱導率，W/(m·K)
由式(1)、(2)解得h，并結合式(3)、(4)得到待測流體質量流量qm的計算式為：
 
式中qm——待測流體的質量流量，kg/s
    v——流體流速，m/s
    ρ——流體的密度，kg/m3
    μ——流體的動力黏度，Pa·s
    由式(5)可知，結構參數和流體的物性參數為已知，只要知道T1、T2、T3就可以求出流體的質量流量，因此這種質量流量計既能測量氣體，又能測量液體的質量流量。
3 數值仿真
3.1 幾何模型的建立及網格劃分
在GAMBIT中建立導熱桿的二維幾何模型見圖2。
 
    流體流經的管道內徑為20mm，長度為404mm；導熱桿位于管道的中部，導熱桿的直徑為4mm，長度為80mm，絕熱材料內徑為4mm，外徑為44mm。圖2a為理想狀態，不考慮熱量損失，認為熱量全由導熱桿導出。圖2b為實際狀態，導熱桿外設絕熱層，考慮到各種熱量損失。假設以圖2a為基準，通過對比兩者的模擬結果來確定流量計的量程、精度等。網格劃分所采用的網格單元為Quad單元，即網格區域中只包含四邊形單元，由于模型比較規整，因此網格類型為結構化網格[7]。
3.2 FLUENT內部參數及邊界條件設置
    選用分離求解器(segregated solver)，湍流模型選擇κ-ε標準模型，其他設置保持默認值[7]。為了簡化計算，假設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。
    邊界條件的設置為[7]：進口采用速度入口條件(velocity-inlet)，出口設置為壓力出口邊界(pressure-outlet)。流體與導熱桿之間設為對流傳熱，絕熱層與空氣之間設置為自然對流傳熱。散熱器的發射率為0.03，絕熱層的發射率為0.8。兩種不同材料的壁面設置為耦合條件。
3.3 計算結果及分析
    溫度為333K的水在流速為1m/s情況下的模型溫度分布見圖3。由圖3可知，熱量由流體對流換熱傳遞給導熱桿，因此導熱桿下端溫度較高。由圖3b可知，熱量沿著導熱桿傳遞也避免不了導熱桿與絕熱材料的熱交換。為減少相應的熱量損失應采用絕熱性能較好的絕熱材料，在條件允許的情況下，也可以適當增加絕熱層厚度。導熱桿將熱量傳遞給散熱器，散熱器與環境進行換熱，因此散熱器也表現為中間與導熱桿接觸處溫度高，四周溫度低。散熱器也可以根據實際情況進行設計，可以加肋片、增大散熱器的粗糙度來增大其發射率等，只要達到散熱快即可，這樣就可以減少流量計的響應時間，測量時間更短，精度更高。
 
    由于工程上使用的標準管道內的流速大致范圍為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，對不同流速下的質量流量計的流場和性能進行數值模擬，并對其結果進行分析。針對實際狀態，模擬了流體流速對導熱桿熱流量的影響。由模擬結果可知，當流速大于1.6m/s以后熱流量趨于平緩還有下降的趨勢，在0～1.6m/s內熱流量隨著流體流速的增加而增加，符合湍流模型的條件，可以初步確定質量流量計可用。
    不同流體流速下實際狀態與理想狀態的質量流量測量誤差見表1。由表1可知，流體流速在0.2～1.7m/s時，測量相對誤差趨于平穩，低于3%，當流速過小或過大時會影響其測量精度，導致測量不準。綜上所述，該質量流量計的有效量程范圍為0.2～1.6m/s。
表1 不同流體流速下實際狀態與理想狀態的質量流量測量相對誤差
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
—
相對誤差/%
2.33
1.19
2.02
13.41
17.32
11.46
—
3.4 質量流量計使用條件分析
    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，因此本文討論環境溫度的影響時環境溫度范圍設定為253～393K。下面分析流速為1m/s、溫度為333K的水，外界環境溫度對測量誤差的影響(見表2)。由表2可知，在253～393 K的環境溫度內測量相對誤差在3%左右，符合要求。當環境溫度為313、353K時，即在流體與外界環境溫差為20℃時，導熱桿熱流量較小，相對誤差比較大。因此，當環境與流體溫差小于20℃時不建議使用該質量流量計。
表2 外界環境溫度對測量相對誤差的影響
環境溫度/K
253
273
293
313
相對誤差/%
2.42
2.04
2.21
2.49
環境溫度/K
333
353
373
393
相對誤差/%
0.00
3.28
1.64
1.49
4 結論
    ① 該新型質量流量計以溫差為動力，不用對流體加熱，不會影響流體自身的性質。通過理論論證與FLUENT軟件的綜合使用，可以使測量精度達到3%左右，因此該測量原理完全是可行的。
   ② 通過FLUENT的仿真指導了流量計的優化設計，克服了以往研究中受工況條件的影響及實驗量大等缺點。有效量程范圍為0.2～1.6m/s，當環境與流體溫差小于20℃時不建議使用。
參考文獻：
[1] 徐國強，鐘駿意.插入式熱式氣體質量流量計[J].傳感器世界，2007，(9)：21-24.
[2] 蔡武昌.流量儀表若干發展趨勢和應用進展[J].中國儀器儀表，2001，(2)：46-48.
[3] 劉桂霞，沈興武.流量測量儀表的應用現狀和發展趨勢[J].化工裝備，2004，(1)：21-23.
[4] 鞏愛華，馬金權，朱成偉.熱式氣體質量流量計原理分析及其應用[J].齊齊哈爾大學學報，2002，(3)：75-80.
[5] 彭聰，修吉平.新型熱式氣體質量流量計的研制[J].自動化技術與應用，2006，(12)：57-59.
[6] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(第3版)[M].北京：高等教育出版社，2002.
[7] 韓占忠.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2004.
 
    (本文作者：張婉萍 李世武 唐敏 西北工業大學 動力與能源學院 陜西西安 710072)