進口來流條件對旋進旋渦流量計測量特性的影響.pdf

1、旋進旋渦流量計應用流體特有的流體振動現(xiàn)象，通過測量與流速成正比的振動頻率實現(xiàn)流量的測量;對被測流體的溫度、密度以及壓力和粘度等物性變化不敏感，并具備低流速信號強、量程比寬的優(yōu)點，使其在天然氣和煤層氣等氣體流量測量領域被充分認可。
　　由于天然氣輸氣管道系統(tǒng)中存在大量的旋轉(zhuǎn)機械、閥門以及由于天然氣本身物性變化導致的旋渦流、非均勻流以及氣液兩相流等不同特性的流動，對旋進旋渦流量計的內(nèi)部流動產(chǎn)生影響并造成測量誤差甚至無法測量，而目前對旋

2、進旋渦流量計的研究卻極少。因此本文以CFD數(shù)值模擬為基礎，對均勻來流、擾動來流和氣液兩相流等不同來流條件下的旋進旋渦流量計流動特征和測量特性開展研究，從而理解和掌握旋進旋渦流量計的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)以及不同來流條件對流場分布和流動測量的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)了以下的流動現(xiàn)象和結(jié)論:
　　1.旋進旋渦流量計內(nèi)部流動特性研究。通過分析流體在旋進旋渦流量計內(nèi)的流動，發(fā)現(xiàn)當進口為均勻流動時，由于起旋器螺旋流道和收縮段的作用，流體不斷獲得加速并在起旋

3、器出口形成旋渦流;由于擴張段流道面積的快速增大導致下游出現(xiàn)回流，回流流體作用于旋渦流后，致使旋渦渦核偏離流道中心。渦核的偏離運動從流體進入喉部開始發(fā)生并隨著流動發(fā)展而不斷靠近測量管壁面，同時渦核繞流道中心軸隨時間出現(xiàn)規(guī)律性的轉(zhuǎn)動進而形成旋渦進動，旋渦進動對流量計內(nèi)部的流場分布起決定性的作用。
　　2.測量管結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋進旋渦流量計內(nèi)部流動作用研究。通過在均勻來流時不同收縮角、喉部長度、喉部直徑和擴張角下的流量計內(nèi)部三維湍流場的數(shù)值

4、計算，發(fā)現(xiàn)測量管中的喉部直徑和收縮角對流動狀態(tài)起主導作用。收縮角決定流體在收縮段內(nèi)的加速過程，收縮角的增大能提高收縮段和喉部的整體流速。喉部直徑越小則流速越高，喉部末端監(jiān)測點的壓力脈動也越強;喉部直徑的減小增大了旋渦進動頻率，而流量計的測量損失則隨喉部直徑的增大而減小。通過將收縮角從11°減小至8°，喉部直徑從32mm增大至37mm，對旋進旋渦流量計進行壓損優(yōu)化，實驗證實改型旋進旋渦流量計在流量為70m3/h和100m3/h時，壓損分別

5、減小了22％和17.7％，并且能在10-150m3/h的范圍內(nèi)保證測量精度。
　　3.來流擾流對旋進旋渦流量計流動影響研究。管道中的閥門、收縮管等阻流件導致流量計進口流速的不均勻分布，對流量計內(nèi)的流動產(chǎn)生干擾，進而影響測量準確性。通過模擬和實驗分析，發(fā)現(xiàn)上游阻流件的開度越小則流量計內(nèi)的流速越高，導致旋渦進動頻率增大而造成測量的正偏差，并且小流量時的測量誤差相對較大。特別是在開度為7％時的小開度工況下，最高測量誤差達到30％以上，嚴

6、重影響了旋進旋渦流量計的正常測量。開度越大，流量計進口直管段越長，則流量計內(nèi)的流動受影響越小。在進口直管段長度在5D及以上時，旋進旋渦流量計的測量已經(jīng)基本不受阻流件的干擾。進口來流為旋渦流時，不同的旋渦方向?qū)α髁坑嫷挠绊懖煌?。其中，正向旋渦會減小流量計進口熵產(chǎn)進而減小流量計內(nèi)的壓力損失，而反向旋渦的作用則相反。正向旋渦在不同長度安裝直管段作用下，始終產(chǎn)生測量負偏差;而反向旋渦在大流量和小流量時出現(xiàn)了不同的影響規(guī)律，大流量時隨著安裝直管段

7、的增加出現(xiàn)了測量負偏差。
　　4.氣液兩相流對旋進旋渦流量計測量影響研究。兩相流測量時，由于液相的存在導致了氣相在流量計內(nèi)的流動速度下降;而液相含率越高，則流量計內(nèi)的液相和氣相的流速越低。氣相流速的降低使其在喉部無法形成穩(wěn)定和強烈的旋渦流，進而導致旋渦進動現(xiàn)象的逐漸消失，喉部末端的壓力脈動強度大幅下降。液相體積分數(shù)為1％時的喉部末端截面內(nèi)的壓差降至氣體單相流動時的15％左右。兩相流測量實驗發(fā)現(xiàn)，當液相含率低于0.2％時，旋進旋渦流