新型质量流量计的仿真模拟与研究

摘 要

摘要：介绍了新型质量流量计的结构、测量原理，采用FLUENT软件对该质量流量计进行仿真模拟。模拟分析了适用于该质量流量计的流体流速范围、环境温度范围。适用于该质量流量计的
摘要：介绍了新型质量流量计的结构、测量原理，采用FLUENT软件对该质量流量计进行仿真模拟。模拟分析了适用于该质量流量计的流体流速范围、环境温度范围。适用于该质量流量计的流体流速范围为O.2～1.6m/s。当流体流速为1m/s、温度为60℃时，适用于该质量流量计的环境温度范围为-20～120℃。当环境与流体温差小于20℃时，不建议采用该质量流量计。
关键词：质量流量计；流量测量；精度；数值模拟
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
    流量测量是工业生产过程、科学实验计量的重要步骤，是能源计量的重要组成部分。它对于保证产品质量，提高生产效率，节约能源都有很重要的作用[1]。目前，测量流量的仪表种类繁多[2、3]，但大部分都不能直接测得质量流量，热式气体质量流量计是国际上一种新型流量计，它能够直接测量气体的质量流量[4、5]。国内对热式质量流量计的研究起步较晚，大部分的热式质量流量计都是进口的，价格昂贵，国内产品性能达不到国外同类产品的水平。
    因此，研究高质量的质量流量计是流体流量测量领域的发展趋势，也是工业生产过程和科学实验计量所企盼的。FLUENT作为世界上较先进的CFD软件，在流体计算中得到了广泛的应用，一些研究者也已经成功地将它用于开发流量计的流场仿真中，在流量计的研究中不仅减少了研究成本和开发周期，而且对流量计的改进具有很好的指导作用。因此，本文在热式质量流量计的基础上研究一种新型的质量流量计，并通过FLUENT软件对其进行仿真研究和指导设计。
2 质量流量计的测量原理
质量流量计的结构见图1，这种新型的质量流量计是在热式质量流量计的基础上演变而来的，是以管外环境与管内流体之间的温差作为动力。温度传感器6位于流体管道内壁，温度传感器5位于流体管道中心。当流体温度大于环境温度时，热量由流体传递给导热杆，导热杆仅存在着一维轴向导热，再把热量传递给散热器，散热器通过辐射和对流传热将热量传递给周围环境，因此导热杆的上下两端形成温度梯度，从而得出温差和质量流量的函数关系。流量计测得的参数为：插入流体管道中的流体温度传感器5测得的流体温度T1，导热杆下端温度传感器6测得的温度T2，导热杆上端温度传感器2测得的温度易。用T1、T2、T3表示出待测流体的质量流量qm。反之当环境温度高于流体温度时，流量计的工作过程刚好是相反的，下面推导的质量流量计算式同样适用。
 
   导热杆与流体的对流传热量Φ1计算式为：
    Φ1=hA1(T1-T2)    (1)
式中Φ1——导热杆与流体的对流传热量，W
    h1——导热杆裸露端头的平均表面传热系数，W/(m2·K)
    A1——导热杆裸露端头的表面积，m2
    T1——流体温度传感器5测得的流体温度，K
    T2——温度传感器6测得的温度，K
   假设不考虑导热杆的径向导热，根据传热学定律，导热杆的一维导热量Φ2的计算式为：
   
式中Φ2——导热杆的一维导热量，W
    λ——导热杆材料的热导率，W/(m·K)
    A2——导热杆的截面积，m2
    T3——温度传感器2测得的温度，K
    L——导热杆两端温度传感器的距离，即导热杆的长度，m
   努塞尔数Nu的关联式为[6]：
    Nu=CRemPrn    (3)
式中Nu——努塞尔数
    C、m、n——质量流量计标定系数
    Re——雷诺数
    Pr——普朗特数
Nu的计算式为：
 
式中D——流体流过的管道内径，m
    λf——流体的热导率，W/(m·K)
由式(1)、(2)解得h，并结合式(3)、(4)得到待测流体质量流量qm的计算式为：
 
式中qm——待测流体的质量流量，kg/s
    v——流体流速，m/s
    ρ——流体的密度，kg/m3
    μ——流体的动力黏度，Pa·s
    由式(5)可知，结构参数和流体的物性参数为已知，只要知道T1、T2、T3就可以求出流体的质量流量，因此这种质量流量计既能测量气体，又能测量液体的质量流量。
3 数值仿真
3.1 几何模型的建立及网格划分
在GAMBIT中建立导热杆的二维几何模型见图2。
 
    流体流经的管道内径为20mm，长度为404mm；导热杆位于管道的中部，导热杆的直径为4mm，长度为80mm，绝热材料内径为4mm，外径为44mm。图2a为理想状态，不考虑热量损失，认为热量全由导热杆导出。图2b为实际状态，导热杆外设绝热层，考虑到各种热量损失。假设以图2a为基准，通过对比两者的模拟结果来确定流量计的量程、精度等。网格划分所采用的网格单元为Quad单元，即网格区域中只包含四边形单元，由于模型比较规整，因此网格类型为结构化网格[7]。
3.2 FLUENT内部参数及边界条件设置
    选用分离求解器(segregated solver)，湍流模型选择κ-ε标准模型，其他设置保持默认值[7]。为了简化计算，假设管道外部空气的物性为操作温度和压力下的常量，操作温度设置为300K，操作压力为大气压力。流入管道的流体为水，其工作温度为333K。绝热材料为膨胀珍珠岩。
    边界条件的设置为[7]：进口采用速度入口条件(velocity-inlet)，出口设置为压力出口边界(pressure-outlet)。流体与导热杆之间设为对流传热，绝热层与空气之间设置为自然对流传热。散热器的发射率为0.03，绝热层的发射率为0.8。两种不同材料的壁面设置为耦合条件。
3.3 计算结果及分析
    温度为333K的水在流速为1m/s情况下的模型温度分布见图3。由图3可知，热量由流体对流换热传递给导热杆，因此导热杆下端温度较高。由图3b可知，热量沿着导热杆传递也避免不了导热杆与绝热材料的热交换。为减少相应的热量损失应采用绝热性能较好的绝热材料，在条件允许的情况下，也可以适当增加绝热层厚度。导热杆将热量传递给散热器，散热器与环境进行换热，因此散热器也表现为中间与导热杆接触处温度高，四周温度低。散热器也可以根据实际情况进行设计，可以加肋片、增大散热器的粗糙度来增大其发射率等，只要达到散热快即可，这样就可以减少流量计的响应时间，测量时间更短，精度更高。
 
    由于工程上使用的标准管道内的流速大致范围为0～2.0m/s，因此本文使用FLUENT软件模拟的流体流速即为0～2.0m/s，对不同流速下的质量流量计的流场和性能进行数值模拟，并对其结果进行分析。针对实际状态，模拟了流体流速对导热杆热流量的影响。由模拟结果可知，当流速大于1.6m/s以后热流量趋于平缓还有下降的趋势，在0～1.6m/s内热流量随着流体流速的增加而增加，符合湍流模型的条件，可以初步确定质量流量计可用。
    不同流体流速下实际状态与理想状态的质量流量测量误差见表1。由表1可知，流体流速在0.2～1.7m/s时，测量相对误差趋于平稳，低于3%，当流速过小或过大时会影响其测量精度，导致测量不准。综上所述，该质量流量计的有效量程范围为0.2～1.6m/s。
表1 不同流体流速下实际状态与理想状态的质量流量测量相对误差
流体流速/(m·s-1)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
相对误差/%
9.52
2.34
2.03
2.54
1.74
1.93
1.87
流体流速/(m·s-1)
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
相对误差/%
2.04
2.43
1.14
2.14
2.45
2.16
2.29
流体流速/m·s-1)
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
—
相对误差/%
2.33
1.19
2.02
13.41
17.32
11.46
—
3.4 质量流量计使用条件分析
    由于我们选用的各种材料都有影响其使用寿命的温度限制，因此本文讨论环境温度的影响时环境温度范围设定为253～393K。下面分析流速为1m/s、温度为333K的水，外界环境温度对测量误差的影响(见表2)。由表2可知，在253～393 K的环境温度内测量相对误差在3%左右，符合要求。当环境温度为313、353K时，即在流体与外界环境温差为20℃时，导热杆热流量较小，相对误差比较大。因此，当环境与流体温差小于20℃时不建议使用该质量流量计。
表2 外界环境温度对测量相对误差的影响
环境温度/K
253
273
293
313
相对误差/%
2.42
2.04
2.21
2.49
环境温度/K
333
353
373
393
相对误差/%
0.00
3.28
1.64
1.49
4 结论
    ① 该新型质量流量计以温差为动力，不用对流体加热，不会影响流体自身的性质。通过理论论证与FLUENT软件的综合使用，可以使测量精度达到3%左右，因此该测量原理完全是可行的。
   ② 通过FLUENT的仿真指导了流量计的优化设计，克服了以往研究中受工况条件的影响及实验量大等缺点。有效量程范围为0.2～1.6m/s，当环境与流体温差小于20℃时不建议使用。
参考文献：
[1] 徐国强，钟骏意.插入式热式气体质量流量计[J].传感器世界，2007，(9)：21-24.
[2] 蔡武昌.流量仪表若干发展趋势和应用进展[J].中国仪器仪表，2001，(2)：46-48.
[3] 刘桂霞，沈兴武.流量测量仪表的应用现状和发展趋势[J].化工装备，2004，(1)：21-23.
[4] 巩爱华，马金权，朱成伟.热式气体质量流量计原理分析及其应用[J].齐齐哈尔大学学报，2002，(3)：75-80.
[5] 彭聪，修吉平.新型热式气体质量流量计的研制[J].自动化技术与应用，2006，(12)：57-59.
[6] 杨世铭，陶文铨.传热学(第3版)[M].北京：高等教育出版社，2002.
[7] 韩占忠.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.
 
    (本文作者：张婉萍 李世武 唐敏 西北工业大学 动力与能源学院 陕西西安 710072)