不同介质对质量流量计的校准误差影响

1 引 言

    随着科学技术和经济的发展, 环境污染问题和能源的综合利用越来越受到人们的关注。为了减少城市交通给环境带来的污染, 提高天然气的利用率, 我国部分城市, 特别是拥有丰富天然气资源的四川和重庆地区, 许多城市和郊县都开始推广使用经济环保的压缩天然气( 以下简称 CNG) 作为城市和郊县交通车辆的燃料。随着西气东输工程的建立, 我国 CNG 的用量将大幅度的增加, 其计量问题也更加突出。

    科里奥利质量流量计作为天然气加气机计量的核心部件, 其本身的性能直接影响了加气机计量的准确性。目前, 在质量流量计的出厂校准工作, 主要采用水作为介质, 而在实际的工作使用中, 却是采用压缩天然气作为介质, 两者的性质有所不同。那么, 采用水替代天然气作为校准介质,是否会对流量计的准确度产生影响? 下面, 我们就将结合目前最流行的 ANSYS 有限元分析软件, 对这一问题进行分析。

    我们采用网拍型的双管对称管型作为实验的对象, 其结构如图 1, 管子内径 d=6mm。

2 数学模型的建立

    我 们 采 用 功 能 强 大 的 有 限 元 分 析 软 件ANSYS- CFD 模块作为实验平台, 其基本原理是:将连续的流体离散成有限单元, 然后通过边界条件连接起来, 并且满足流体连续性方程和欧拉运动方程。

    实验目标:以正常使用条件下最常用的流量6 kg /m作为对比参考点，研究相同流量下水和天然气的流态和速度场分布。

    由于天然气和空气的气体性质相同，因此，我们采用空气的物理参数来代替天然气作为实验对象。边界条件设定:

由于测试管型为轴对称形状, 可以选用轴对称面的2D 图形建立数学模型, 这样可以大大减少网格划分的数量, 节约计算机的资源。同时, 为了确保仿真结果的准确性, 我们采用手动绘制网格的方式, 防止网格在转弯处发生畸变, 从而造成迭代收敛速度缓慢,甚至是不收敛。

    根据流动状态判断准则, 我们分别计算水和空气的雷诺数:

    水和空气的雷诺数均大于 2300, 两者流动方式属于紊流状态, 因此, 我们选择 ANSYS- CFD 中的Turbulent 方式进行仿真。

3 仿真结果及分析

3.1 体积速度场分布

    从体积速度场的分布图, 我们可以明显的看到,不管是水, 还是空气, 在整个流动过程中, 其体积流速不是恒定。在管道内部, 流动的介质越靠近圆心,其体积流速越大。引起体积流速呈现这样分布的原因, 主要是流体经过圆弧时产生的离心力所造成。离心力增大了流体对于管道外缘的压力, 也就比例地增加了靠近外缘部分的流体与管壁的摩擦力, 所以靠近外缘的流体流速降低了。