Обобщенные зависимости для отклонения коэффициента истечения диафрагмы при наличии возмущений, создаваемых осесимметричными местными сопротивлениями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат технических наук Николаев, Николай Анатольевич

• Николаев, Николай Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Николаев, Николай Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ПУБЛИКАЦИЙ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ВЛИЯНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА НА МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУЖАЮЩИХ

УСТРОЙСТВ.

§ 1.1'. Исследование влияния возмущений, создаваемых МС на метрологические характеристики расходомеров переменного перепада давления.9"

§ 1.2. Применение численных методов для исследования течения в расходомерах переменного перепада давления и за местными сопротивлениями.

§1.3. Постановка задачи исследования».

Глава 2. ФИЗИЧЕСКАЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ТЕЧЕНИЯ. ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ.

§ 2.1. Физическая и математическая модель объекта исследования.

§ 2.2. Моделирование параметров турбулентности.

2.2.1. Модели турбулентности семейства к-со.

2.2.2. Дискретизация уравнений и алгоритм решения.

§ 2.3. Геометрические модели сетки, граничные условия, профили на входе.

§ 2.4. Результаты методического исследования.

Глава 3. ВОЗДЕЙСТВИЕ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА

ПАРАМЕТРЫ ПОТОКА ПЕРЕД ДИАФРАГМОЙ.

§ 3.1. Деформация потока конфузорами.

§ 3.2. Деформация потока диффузорами.

§ 3.3. Деформация потока внезапными расширениями.

§ 3.4. Деформация потока за внезапными сужениями.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНОЙ

ДИАФРАГМЫ.

§ 4 Л. Зависимость отклонения коэффициента истечения от стандартного значения от расстояния между местным сопротивлением и диафрагмой.

§ 4.2. Влияние геометрических параметров местного сопротивления и относительного диаметра диафрагмы.

§ 4.3. Обобщающие параметры для отклонения коэффициента истечения от стандартного значения.

§ 4.4. Влияние числа Рейнольдса и относительного диаметра диафрагмы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обобщенные зависимости для отклонения коэффициента истечения диафрагмы при наличии возмущений, создаваемых осесимметричными местными сопротивлениями»

Большинство расходомеров для обеспечения заданной точности измерений требуют специальных условий, налагаемых на поток как перед, так и за расходомером. В наибольшей степени это требование относится к расходомерам переменного перепада давления (РППД). Стандартными условиями, в которых определяется коэффициент истечения, для* этих расходомеров служит полностью развитое турбулентное течение, при сформировавшемся профиле скорости. Эмпирические уравнения; по которым определяют коэффициент истечения для любого РППД, получены и справедливы только в тат ких условиях.

Отклонение параметров потока от стандартных условий вызывает появление дополнительной неопределенности коэффициента* истечения, которая, зависит от структуры потока, относительного диаметра сужающего устройства (СУ), числа Рейнольдса и др: Генераторами возмущений потока являются различные местные сопротивления (МС), за которыми, течение сильно отличается от развитого турбулентного.

Изучению влияния параметров потока на метрологические характеристики посвящено огромное количество публикаций:. На основе многочисленных исследований выработаны рекомендации по установке расходомеров и требования ю параметрам потока. Многие из этих рекомендаций и требований включены в стандарты, как Российские [1 — 4], так и международные [5]. Например, ГОСТ требует определенных длин прямолинейных участков перед и за расходомером или, при сокращении длин, налагает дополнительную погрешность измерений. Однако, в практике измерений расходов жидкостей и газов очень часто встречаются нестандартные применения расходомеров. Это вызвано многими причинами, среди которых не последнее значение имеет требование очень большой длины предвклю-ченных участков трубопровода, достигающих нескольких десятков калибров, что ведет к существенному удорожанию и требует больших площадей для монтажа.

В то же время, сокращение длин прямолинейных участков или определение дополнительной погрешности (неопределенности) измерений при нестандартных условиях монтажа представляется возможным только при получении надежных данных по зависимости отклонения коэффициента истечения СУ от геометрических параметров МС и СУ, числа Рейнольдса.

Прежде получение таких данных не имело смысла в силу отсутствия вычислительной техники, способной, выполнять сложные вычисления в реальном масштабе времени.

Экспериментальное исследование влияния МС на метрологические характеристики требует слишком больших материальных затрат, в силу многообразия типов применяемых МС, необходимости исследования зависимости от геометрических параметров, относительного диаметра диафрагмы и. числа Рейнольдса. Поэтому математическое моделирование течения за МС могло бы оказаться эффективным средством для решения данной проблемы. Развитие методов вычислительной гидродинамики за последнее время обеспечило большие достижения, в части точности- вычислений, а современные компьютерные системы обладают большими ресурсами и* обеспечивают возможность применения мелких сеток, что является одним из необходимых условий получения результатов вычислений с высокой точностью.

Как показали недавние исследования [6 — 10], современный уровень развития численных методов в гидродинамике позволяет выполнять расчеты течения в сужающих устройствах с погрешностью, не превышающей методическую погрешность, регламентированную стандартом« [2] даже при использовании персональных компьютеров.

Целью данной работы является исследование влияния геометрических параметров МС и СУ, числа Рейнольдса на отклонение коэффициента истечения СУ от стандартного значения; . построение обобщенных зависимостей по влиянию геометрических параметров МС с осевой симметрией, СУ и числа Рейнольдса на отклонение коэффициента истечения СУ от стандартного значения.

Результаты данной работы могут быть применены для анализа метрологических характеристик при нестандартном использовании диафрагм, для дальнейшего развития теории с целью изменения требований к длинам пред-включенных участков, а также могут оказаться полезными при изучении влияния распределения параметров потока на расходомеры других типов.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Николаев, Николай Анатольевич

6. Результаты работы могут быть использованы для других методов измерения расхода: по скорости в одной точке трубы, с применением осредняющих напорных трубок; а также при разработке нормативных документов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Построена и реализована в среде Fluent 6.3 математическая модель течения в стандартной диафрагме при наличии установленных на входе местных сопротивлений. Наилучшие согласование с экспериментальными данными обеспечивает применение к-е модели турбулентности на основе ренормализации групп с двухслойной пристеночной моделью и улучшенной функцией стенки.

2. Проведено исследование влияния осесимметричных местных сопротивлений на отклонение коэффициента истечения диафрагмы от стандартного значения в диапазоне изменения: относительного диаметра диафрагмы.рот 0,548 до 0,707; числа Рейнольдса от 3,66-104 до 3^66-106.

3. Установлены закономерности влияния возмущений, создаваемых местными сопротивлениями, на параметры потока в. окрестности сужающего устройства в зависимости от геометрических параметров и числа Рейнольдса.

4. Установлено, что отклонение коэффициента истечения для всех исследованных местных сопротивлений при одинаковых относительных диаметрах диафрагмы и одинаковых числах Рейнольдса обобщается* одной зависимостью 5C=f{d)x Для* устранения, влияния относительного диаметра диафрагмы /? на зависимость 5C=j{a) необходимо применять параметр дС/ft. Для устранения влияния числа Рейнольдса на зависимость 5C=j{a:) необходимо использовать отношение коэффициента Кориолиса к его теоретическому значению.; рассчитанного для степенного профиля в зависимости от числа Рейнольдса, ф=а/ао(Re). Зависимость является универсальной для исследованных видов местных сопротивлений при различных /?и числах Рейнольдса.

5. Полученные в работе результаты позволяют свести влияние геометрических параметров местных сопротивлений и сужающего устройства, числа Рейнольдса к универсальной зависимости и обоснованно выбирать длину входного участка перед диафрагмой либо определять дополнительную погрешность измерений при нестандартных условиях монтажа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Николаев, Николай Анатольевич, 2011 год

1. ГОСТ 8.586.1-2005 (ИСО 5167 1: 2003). Измерение расхода и* количества жидкостей с помощью стандартных сужающих устройств.» Часть

2. Принцип метода измерений и общие требования.— введ. 2007-01-01". — М., 2007.-43 с.

3. ГОСТ 8.586.2-2005 (ИСО 5167 2: 2003). Измерение-расхода и количества жидкостей с помощью стандартных сужающих устройств. Часть

4. Диафрагмы. Технические требования. введ: 2007-01-01. - М:, 2007. - 38 с.

5. ГОСТ 8.586.3-2005 (ИСО 5167 3: 2003). Измерение расхода и количества жидкостей с помощью стандартных сужающих устройств. Часть

6. Сопла и сопла Вентури. Технические требования. — введ. 2007-01-01. — М., 2007. 28 с.

7. ГОСТ 8.586.4-2005 (ИСО 5167 4: 2003). Измерение расхода и количества жидкостей с помощью стандартных сужающих устройств; Часть

8. Трубы Вентури. введ. 2007-01-01. -М., 2007. - 20 с.

9. Николаев H.A. Выбор сетки и- модели? турбулентности, для расчета коэффициента расхода стандартной диафрагмы / Р.И. Ганиев^ H.A. Николаев; А.Н. Сабирзянов, В.А. Фафурин, В.Б. Явкин // Изв. Вузов. «Авиационная техника», 2008. №4. - с. 21-24.

10. РАНзВШ^Алемасова; 16-18сентября'2008; Казань: Изд-во Казанск. гос. унта, 2008г.-с. 97-100 .

11. Феррон А.Г. Влияние профиля скорости на' коэффициент; расхода для расходомеров, с перепадом давлений. / А.Г. Феррон // Техническая механика: I960;- №3; -С:; 13^-25t

12. Богема. Влияние распределения скоростей на' подходе на характеристики мерной шайбы с закругленными кромками / Богема, Спринг, Рамамурти // Техническая-механика, серия D; — т.84. — №4. 1962. - с.З.

13. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. / Пер с нем. — М.: Наука, 1974.-711 с.

14. Yeh Т.Т. Pipeflow downstream of a reducer and its effects on flowmeters / T.T. Yeh, G.E. Mattingly // Fluid Flow Group, Process Measurment

15. Division, Chemical Science and Technology Laboratory, National Institute of Standard and Technology. — Gaithersburg, 1993. pp. 181-187.

16. Ghazi H.S. A pressure Index for Predicting the effect of Flow Profiles on Orifice Meter Performance / H.S. Ghazi // Journal of Basic Engineering. 1966. -pp. 93 - 100.

17. Sattary J.A. EEC Orifice Plate Programme Installation Effects / J.A. Sattary // Seminar on .«Installation» Effects on Flow Metering. - NEL, Glasgow.1990.

18. G. h Morrison, K. R. Hallt, M. L. Macek, L. Mi Ihfe, R. E. DeOtte, Jr and J: E. Hauglie. Upstream velocity profile effects on orifice flowmeters / Flow Measurement Instrument, 1994. Volume 5. - Number 2. - pp. 87-92.

19. Reader-Harris M. J. Pipe roughness and Reynolds Number Limits for the Orifice Plate Discharge Coefficient Equation / M. J. Reader-Harris // National Engineering Laboratory, Kilbride, Glasgow. pp. 29 - 43:

20. Mattingly G.E. Effects of pipe elbow and tube bundles on* selected- types of flow meters/ G.E. Mattingly, T.T. Yeh // Flow Measurement" and Instrument,1991. vol. 2. — pp.4-13.

21. Brennan J.A., Sindt C.F., Lewis M:A., Scott J.L. Choosing Flow Conditioners and their Location for Orifice Flow Measurement / Seminar on Installation Effects on Flow Metering. NEL, Glasgow. - 1990.

22. Karnik U. Effect of flow characteristics downstream of elbow/flow conditioner on orifice meter / U. Karnik, W.M. Jungowsky, K.K. Botros // 9-h North Sea Flow Measurement Workshop. — Bergen, Norway, 1991. Part 2. - pp. 1-37.

23. Karnik U. Effect of tubulence on orifice meter performance / U. Karnik, W.M. Jungowsky, K.K. Botros // Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Vol. 116. - p.77.

24. Park J.T., Morrow T.B:, Yeh T.T., Mattingly G;E. Effect of Velocity profile from tee and tube bundle flow conditioner on orifice 'meters?/ International Gas Research Conference, vol*. Ill; Orlando, Florida. pp. 223-233.

25. Williamson I.D. Flow Characteristics and« Orifice Meter Error caused by Upstream Headers in Multi-Run Meter Stations / I.D. Williamson; K.K. Botros, G.R. Price // Presented at ASME Fluid Engineering Conference; Washington D.C., 1993. ■ •

26. Klein A. Review: Turbiilent Developing Pipe Flow / A. Klein // J: of Fluid Engineering, 1981. Vol. 103. - pp. 243-249. . .

27. Klein A. Review: Effect of Inlet conditions on Conical-Diffuser Performance / A. Klein II K of Fluid Engineering, 1981. Vol; 103.- p; 250.

28. Karnik U. Effect of expander on orifice meter accuracy / U. Karnik, I.D. Williamson // Fluid Flow Measurement 3^ International Symposium. — 1995. -pp.1-16.

29. Zanker K.J. Orifice Plate Discharge Coefficient / K.J. Zanker II Report PR 706 British Hydromechanics Research Association; Harlow, England. 1961.

30. Zanker K.J: The Development of Flow Straightener for Use withn Orifice Plate Flowmeters in Disturbed Flows / K.J. Zanker // Report SP" 625; British Hydromechanics Research Association, Harlow, England, May 1959: -reprinted. —1962.

31. Herning Fr. u. a. Neue Versuche Normblenden / BWK, I960; v. 12. -№3.-pp. 89 -96.

32. Koichiro Akashi. Flow Rate Measurment in Pipe Line with Many Bends/ Koichiro Akashi, Hisao Vatanabe, Kenichi Koga // Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. TechnicaL Review, 1978. pp. 87 - 96.

33. Calame H. Problematik der Einlaufstrecken von Durchflußmessern -Versuch Definition und'eines Vergleichs / H. Calame, A. Shröder // VDI Berichte №374, 1980.-pp. 67-74.

34. Starrett P.S. Survey of Information Concerning the Effects of Nonstandard Approach Conditions Upon Orifice and Venturi'Meters / P:S. Starrett, P.F. Halfpenny, H.B". Nottage* // Paper American Society Mechanical Engineer, 1965. M —WA/FM —5.

35. Pardoe W.S. The Effect of Installation on the Coefficient of Venturi Meters / W.S. Pardoe //Trans. ASME, vol. 58, 1936. pp. 677-684* '

36. Pardoe W.S. The Effect of Installation on the Coefficient of Venturi Meters. Discussion and Closure / W-.S. Pardoe // Trans. ASME, vol'. 59,' 1937. -pp. 750-756.

37. Pardoe W.S. Effect of Installation on Coefficient of Venturi' Meters. Discussion and Closure / W.S. Pardoe // Trans. ASME, vol. 65, 1943. pp. 357359.

38. Bean E.S. Development in the Application of orifice Meters to the Measurement of Fluids, Especially Gases / E.S. Bean // Pennsylvania State College Mineral Industries Experimental.Station, Bulletin 20;. 1936. — pp: 74-91.

39. Kessels K. Flow Measurements / K. Kessels // Archiv fur das Eisenhuttenwessen, vol: 20, № 3/4,1949. pp. 79-106. .

40. Morrison.G. 1. Beta ratio, axisymmetric flow, distortion'and swirl effects upon« orifice flow meters / G. 1. Morrison, J. Hauglie*, R. E. DeOtte Jr. // Flow Measurement Instrument, 1995. — Vol. 6. No. 3. — pp. 207-216.

41. Reader-Harris M. J. The Effect of Diameter Steps in Upstream Pipework on Orifice Plate Discharge Coefficients / M. J. Reader-Harris, W. C. Brunton // National Engineering Laboratory, East Kilbride, Scotland, 2005. 10 pp.

42. Zaki D. Husain. Theoretical Uncertainty of Orifice Flow Measurement / Daniel Flow Products, Inc. Houston, Texas, 1995. — pp. 7.

43. John C. Branch. The effects of an upstream short radius elbow and pressure tap Location on orifice discharge coefficients / Flow Measurement Instrument, 1995. Vol. 6. - No. 3. - pp. 157-162.

44. Himpe U. Influence of upstream bends on the discharge coefficients of classical5 venturi4 tubes and orifice plates / U. Himpe, B. Gotte, Ml Schatz // Flow Measurement'Instrument, 1994. Volume 5. — Number 3.

45. José de Jesús Casillas Maldonado. Computational! fluiddynamics (CFD) and its application in fluid measurement systems / José de Jesús Casillas Maldonado^ M-in E, Diego Nelson Moneada Benavides // 6thISFFMMay 16-18, 2006:-.6 pp.

46. FLUENT, Inc., FLUENT 6.1 User's-Guide, 2003. (Lebanon: NH).

47. Launder В. E. The Numerical Computation-of Turbulent Flows / В. E Launder, D:B; Spalding // Computer Methods in Applied Mechanics and* Engineering, 1974 vol. 3. - pp. 269-289.

48. Kim S.-E. A near-wall treatment using wall functions sensitized to pressure gradient / S.-E. Kim, D. Choudhury // ASME FED' Separated and' Complex Flows. ASME, 1995. vol. 217. - pp. 273-279.

49. Wolfstein M. The velocity and temperature distribution of onedimensional flow with turbulence augmentation and pressure gradient / M. Wolfstein // Int. J. Heat Mass Trans., 1969. vol. 12. pp. 301-318.

50. Cheng-Tsair Yang, Jian-Yuan Chen, Jiunn-Haur. CFD SIMULATION OF THREE DOUBLE-ELBOW PIPE FLOWS / Shaw Center for Measurement Standards, ITRI, Taiwan. grant No. FY90-4QC4400

51. Heschl Ch. VALIDATION OF COMPUTED PRESSURE LOSS AND DISCHARGE COEFFICIENT OF AIR SUPPLY DUCTS / Ch. Heschl, W. Sanz, A. Kelz // FLUENT CFD Konferenz, 2004; pp. 1 - 20.

52. Reader-Harris M.J. Computation of the flow through orifice plates of rough pipework / M.J; Reader-Harris // In-- Proceedings of Flow Measurement in the mid 80's. — National Engineering Laboratory, East Kilbride Glasgow, 1986. -Paper 7.3. . . • •

53. Sheikholeslami M.Z. Numerical Modeling of Turbulent Flow through Orifice Meter A Parameter Study / M:Z. Sheikholeslami, B.R. Patel, K. Kotharu // Proceeding of 2nd International Conference on Flow Measurement, London, UK, 1988.-pp. 67-75. .

54. Cheng-Tsair Yang; CFD Simulation of three double-elbow pipe flows / Cheng-Tsair. Yang, Jian-Yuan Chen, Jiunn-Haur Shaw. Center for Measurement-Standards, 1ТИ, Taiwan, 2000;-pp. 12.

55. Идельчик, И. E. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М. О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

56. Идельчик И. Е. Аэродинамика промышленных аппаратов. Ml: «Энергия», 1964.-288 с.

57. Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович и др.. Изд. 2-е, перераб. и доп., под ред. Г.Н.Абрамовича. — М.: «Наука», 1984. - 716 с.

58. Белов И:А. Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие / И.А. Белов, С.А. Исаев; Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2001. - 108 с.

59. Н.В. Корнев. Введение в метод крупных вихрей: Учебное пособие / Корнев Н.В., Бесядовский А.Р. СПб.: Изд. СПбГМТУ, 2003. - 136 с.

60. Юн А.А. Теория и практика моделирования турбулентных течений / А.А. Юн. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. - 272 с.

61. Мазо А.Б. Моделирование турбулентных течений несжимаемой жидкости: учебное пособие / А.Б. Мазо. Казань: Казанский^ государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина, 2007. — 106 с.

62. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидродинамика и теплообмен. Том Г / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл-, Р. Плетчер: пер. с англ. М.: «Мир», 1990. - 384 с.

63. Chen H.C. Near-Wall Turbulence Models for Complex Flows Including-Separation/ H.C. Chen; V.C. Patel7/ AIAA Journal, 26(6), 1988. pp. 641-648.

64. Jongen T. Simulation and Modeling of Turbulent'Incompressible Flows. PhD thesis, EPF Lausanne, Lausanne, Switzerland; 1992.

65. Kader B. Temperature and Concentration Profilés in Fully Turbulent Boundary Layers / B. Kader // Int. J. Heat Mass Transfer, 24(9); 1993. pp. 15411544.

66. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for GFD / D.C. Wilcox. DCW Industries, Inc., La Canada, California, 1998.

67. Stieglmeier Mi Experiment- al investigation- of the flow, through* axisymmetric expansions / Stieglmeier M., Tropea C., Weiser N., Nitsche W // Journal of Fluids Engineering, vol. Ill, 1989. — P. 465

68. Flow through Axisymmetric Expansions / ERCOFTAC «Classic Collection» Database. Режим доступа: http://cfd.mace.manchester.ac.uk/ercoftac/.

69. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. — 2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1982. 224 с.

70. Филиппов- Г.В. О турбулентном течении во входных участках прямых труб; круглого сечения: / Г.В. Филиппов; Журнал технической? физики, 1958. - т. XXVIII. - вып. 8. - с. 1823-18281

71. Фабер Т.Е. Гидроаэродинамика / Т.Е. Фабер. — Москва: Постмаркет, 2001.-560 с.

72. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учеб: для вузов. — 7-е4 изд., исправ. М.: Дрофа, 2003. — 840 с.