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气体超声波流量计流场分析及整流器设计

厉胜男  
【摘要】:气体流量测量在工业上和日常生活中都发挥着重要的作用,尤其是随着“西气东输”工程的实施,气体流量测量技术得到更为广泛的关注,气体流量计的需求正在逐渐增加。随着科技的进步及超声技术等的发展,具有非接触式、测量范围宽、高重复性、流场适应性强等优势的超声波气体流量计在各个领域得到了广泛的应用。但是由于气体流量测量中存在的各种不利因素,包括流场环境复杂、速度场分布的安装效应、传感器制造工艺、传播信号不稳定及信号处理方法的有效性等问题,使得超声波气体流量测量技术的发展比起液体流量测量要落后得多。本文通过对引起超声波气体流量计测量误差的各种因素进行研究学习后,选择管道流场、整流器流场优化的内容进行分析研究。本课题以超声波时差法流量测量系统为研究对象,阐述了时差法超声波流量计的基本测量原理,概述了本文所采用的CFD数值模拟的计算思路和技术方法及CFD数值模拟方法进行管道流场分析的流程。对理想状态下圆形管道内流体在层流和湍流状态下的流动状态进行理论分析,然后采用计算流体动力学(CFD)方法对安装有弯管和阀门作为阻流件的管道进行建模和CFD流体仿真,通过对其速度云图和速度曲线的分析确定不同阻流件对于管道下游流场的影响。通过对Etoile整流器、Laws整流器对管道流场的整流效果进行分析,然后针对叶片式整流器中心区域存在低速区域以及近管壁面处存在误差的问题进行改进,提出了一种优化设计,得到了优化后的空心叶片式整流器。之后对安装有阀门的管道进行加装Etoile整流器、Laws整流器和新设计整流器的仿真,分析其下游的流速分布情况,研究加装整流器之后对流场的改善效果等。构建一个气体超声波流量计的标准实验平台,在教研室自主研制DN50口径的气体超声波流量计样机上进行测试,分别测试了Etoile整流器、Laws整流器和新设计的整流器在弯管和阀门两种阻流件的影响下的整流性能,经过结果的处理和分析,可以发现加装三种整流器的情况下,被测流量计的相对误差和重复性都大大改善,验证了其改善管道内流场的有效性。


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