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《山东大学》 2011年
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圆管过渡区流速特性的研究

刘永辉  
【摘要】:目前,国家正在大力倡导节能减排。能源的计量测试工作就属于一项重要的技术基础工作。超声波流量计做为流量计量主要的工具,其测试精度在能源的计量上起至关重要的作用。但是目前国产的超声波流量计的技术水平还不够高,测试精度和可靠性与国外产品还有一定的差距,其主要原因是对处于过渡区范围内流动的流速特性缺乏相应的理论指导依据。因此,圆管内过渡区的流速特性做为提高超声波流量计测试精度的一个基础研究成为一个重要课题。 对于超声波流量计,影响其测试精度的主要因素为流场内面—线平均速度的关系,这种关系被定义为k系数。传统的研究对于层流和完全湍流,都已有相应的修正方法。而对于过渡区范围内流动的面—线平均速度关系,目前的研究尚属空白。传统的处理的方法是采用湍流状态下的经验公式来计算过渡区内流动的面—线平均速度关系,这种处理方式势必会造成较大的测量误差。在实际工业应用中,大量的待测工况均处于过渡区范围内。因此,对于圆管过渡区范围内面—线平均速度关系,即k系数的研究具有重要的理论意义和工业价值。 本文采用数值模拟计算和PIV (Particle Image Velocimetry)实验方法来对圆管Re=2000—20000范围内的流动进行了研究,获得了圆管过渡区范围内面—线平均速度关系。在研究基础上,又针对两款不同结构的超声波流量计内的水流特性进行了研究,给出了相关规律,具体有: 采用标准k-ε模型对圆管内Re=5400的流动进行了计算,通过与Westerwell等人的经典实验数据对比,发现采用该计算模型获取的剖面速度分布存在较大误差,因而采用LES(Large Eddy Simulation)对Re=5400的流动进行了数值模拟计算,计算结果表明LES模型获取的流场速度分布与经典实验数据相吻合。通过LES模型计算了圆管内当Re=5400、6000、7000、8000、9000、10000流动情况下的流场,采用LES计算模型所得到的结果研究了过渡区内面—线平均速度关系,并与采用传统的采用湍流范围内的修正公式计算所得到的结果对比,说明传统的计算方式存在较大的误差。 搭建了流动实验台,并进行了相关水力计算,说明了本文搭建的流动实验台满足流量要求。分析了PIV测试系统的误差,并采用一定的方法在一定程度上消除了测量误差。通过PIV测试系统对圆管Re=2000—20000范围内的流动进行了测量,通过流场分析说明了该范围内的流动涵盖了过渡区范围。通过PIV测试结果分析研究了不同入射角度情况下圆管内面—线平均速度关系,说明了30°入射角度较好的结论,并给出了30°入射角度传播路径上的面—线平均速度关系随着雷诺数变化曲线,经分析该曲线的变化规律可分为四部分,根据每部分k系数的变化规律,给出了相关的拟合公式。针对水平入射角度的传播路径亦进行了研究,取水平方向11条不同的传播路径研究,结果表明位于靠近圆管中心处的三条传播路径的面—线平均速度关系较为合理。最后,建立了水平入射角度情况下k系数随雷诺数变化的数学模型。 为了便于对超声波流量计不同基表结构的面—线平均速度关系进行分析,本文开发了超声波流量计测试系统。采用TDC-GP2芯片做为主要的流量采集芯片,采用TI公司的MSP430F417芯片做为主控芯片实现了超声波流量计流量信号的采集与计算。 通过TDC-GP2方案的流量采集线路控制和流量检测实验台,对DN20型支架式U型反射装置的超声波流量计进行了实验研究,采用流量检测台测量了流量范围从0.045—0.909m3/h,Re=1000—20000范围内基表超声波传播路径上的面—线平均速度关系,从k系数变化曲线可以看出,该超声波流量计过渡区内的变化规律与圆管过渡区流动的面—线平均速度关系曲线的变化规律基本吻合。但由于反射装置对流场的影响,使基表内的流动提前进入过渡区。分析结果表明,在0.091—0.246m3/h的流量下是k系数最不稳定的区域,通过所获得的k系数曲线给出了支架式U型反射装置的超声波流量计过渡区流量范围内的k系数修正方法。通过实验检测发现该种反射装置的超声波流量计对温度变化较为敏感,在高温的情况下,流量误差不稳定,分析其主要原因是塑料支架受温度影响容易产生变形,从而导致误差不稳定。 为了克服支架式反射装置受温度影响的弊端,对不锈钢反射柱的U型反射方式的DN20超声波流量计进行了研究,直接采用上述给出支架式U型超声波流量计过渡区的k系数规律来对不锈钢式反射的基表进行流量修正。通过不同流量点下基表的测量误差可以看出,该方案得到的流量误差较小,且比较稳定,说明了所给出的U型反射方式的超声波流量计过渡区面—线平均速度关系的正确性。检测结果还表明该方式反射的超声波流量计在50°和80°温度下基本不会改变,说明其性能受温度影响较小,克服了支架式反射装置在高温情况下误差不稳定的弊端。 通过经典的实验数据说明了LES模型对于过渡区流动所适用的雷诺数范围,通过数值模拟计算的结果分析了圆管过渡区面—线平均速度的关系。通过与传统的修正方式结果的对比,说明了对于低雷诺数的情况下传统方法对于过渡区修正存在较大误差。实验研究的结果发现,圆管内的剖面流速分布不对称,作者给出了这种现象的机理分析,指出是由于势能项的影响导致这种现象;通过对相关实验数据的综合分析,建立了圆管过渡区流动范围内的面—线平均速度关系的数学模型。将对圆管理论研究的结果应用于不同声道结构的超声波流量计,通过实验检测说明了所建立的数学模型明显的改善了流量计过渡区范围内流动的检测精度。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH814.92

【引证文献】
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