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一种差压式流量计的数字化标定及优化方法  
 【申请号】  CN201510618957.7  【申请日】  2015-09-25
 【公开号】  CN105181040A  【公开日】  2015-12-23
 【申请人】  辽宁聚焦科技有限公司  【地址】  110000 辽宁省沈阳市皇姑区陵北街19号
 【共同申请人】  
 【发明人】  贾会安
 【国际申请】    【国际公布】  
 【进入国家日期】  
 【专利代理机构】    【代理人】  
 【分案原申请号】  
 【国省代码】  21
 【摘要】  一种差压式流量计的数字化标定,用CFD方法求解差压式流量计在实际工况下的流场,进而计算差压、仪表系数、差压灵敏度和仪表系数不确定度,包括以下内容:1)求解基本流场;2)求解标定点流场;3)求解标定点压差;4)计算标定点的仪表系数;5)计算平均仪表系数;6)计算标定点的线性误差;7)确定仪表系数不确定度;8)计算差压灵敏度;9)编制标定数据表。与现有的技术相比,本发明的有益效果是:本发明对几何特性、介质类型及参数和流动规律与状态都是数字化描述,因此具有低成本、便捷、科学有效的特点,解决实流标定难以解决或不能解决的差压式流量计的工况标定和优化问题。
 【主权项】  一种差压式流量计的数字化标定,其特征在于,用CFD方法求解差压式流量计在实际工况下的流场,进而计算差压、仪表系数、差压灵敏度和仪表系数不确定度,包括以下内容:1)求解基本流场基本流场就是一组给定条件下的压力场和速度场,结合差压式流量计标定的特点按CFD原则,采用下述方法:a)建立几何模型就是利用CFD的SOLIDWORKS模块,将差压式流量计按安装要求装配到一定长度的管段内,形成流体流动的几何空间,以确定计算域分析流体的流动参数;其管段形状和长度根据现场实际情况或要求确定,使几何模型与实际几何条件几何相似;b)建立控制方程就是选择描述流体运动规律的方程,以便在一定的边界条件和初始条件下求解未知参数;鉴于一般的流量测量只针对湍流流动并因为流量计很短可认为是绝热过程,所以本发明没考虑能量守恒,选择了标准K#ε方程,通过对该方程的离散求解便可得到计算域内的压力场和速度场;c)确定初始条件和边界条件在CFD操作画面下,输入初始条件和边界条件;初始条件是所研究的对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况,就是在某标定点开始时刻流量计上游的压力和X、y、Z方向的流速与湍动能和湍动能耗散率及初始温度;边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律,边界条件有流体材料、进出口压力、速度、质量、壁面粗糙度和湍流参数,其中速度和质量选择其一给定;因为计算域是几何模型包含的区域,其边界则是这一管段的进、出口和管壁,所以边界条件包含介质类型、进出口压力、速度、质量、壁面粗糙度和湍流参数;其中,湍流参数包括湍流强度、湍流尺度、湍流粘性比,对可压缩流体因为密度未知,把密度做为求解量由求解器求解;d)划分计算网格因为数值求解控制方程必须将控制方程在空间区域进行离散,形成若干个体积元,这个体积元便是网格;网格分为结构网格和非结构化网格,结构网格是行线和列线都规范的空间单元,非结构网格是没有明显的行线和列线的空间单元;因为差压式流量计具有鲜明的几何图形,所以其网格都属于结构化网格,结构化网格对二维问题有三角形、四边形形式,对三维问题,有四面体、六面体、三菱体形式,整个计算域的全部网格通过节点联系在一起;本发明均采用四面体结构化网格,通过CFD的前处理软件Gambit或ANSYS#ICEM实现;e)建立离散方程就是把求解域的偏微分方程分解为有限位置的代数方程组,然后通过求解代数方程组求解节点值,计算域内其它位置上的值则根据节点位置上的值来确定;离散化方法分为有限差分法、有限元法、有限体积法多种,因为有限体积法如同用微积分方法求解不规则体积原理一样易于理解,并且对网格的划分要求相对宽松,所以CFD离散多采用该方法;本发明也采用了该方法;f)离散初始条件和边界条件因为前面设置的初始条件和边界条件是连续函数,而实际运算由离散模型实现,所以还必须对初始条件和边界条件进行离散化;这种离散化由CFD前处理软件自动分配到网格划分后的节点上;g)给定求解控制参数在离散空间上建立了离散化代数方程组并施加了离散化的初始条件和边界条件后,还需要在CFD工作画面内输入流体的物理参数和湍流模型的经验系数,物理参数包含:粘度、摩尔质量、导热系数、比热;经验系数包含:松弛因子、收敛精度;此外,对瞬态问题,还需给定时间步长和输出频率;因为数字化标定重点关注稳态流动所以只需给定流体的物理参数和经验系数便可;通过给定控制参数便可模拟介质的物性;h)求解离散方程完成上述设置后,便生成了具有定解条件的代数方程组,启动FLUENT求解器,收敛后便得到与几何模型、控制方程、边界条件和控制参数相对应的压力场和速度场,即计算域内的压力和速度分布;通过压力和速度分布便可求出计算域内任一点的压力和流速,再根据流量计实际的取压位置,就可得到模拟的差压,根据#该差压和求解过程得出的密度就可计算仪表系数;2)求解标定点流场因为差压式流量计的流量其中,△p和γ分别是测量差压和密度,K称仪表系数;因此测量△p和γ后,已知K便可计算流量G;但K并不已知所以必须进行标定,标定过程即确定K的过程;理想情况在一定的流量范围内K=常数,但实际K≠常数,所以标定过程必须测评K的误差,测评误差就需要对不同流量点的仪表系数进行对照,这种流量点就称标定点,标定点通常把流量范围分为若干等份,对数字化标定也必须遵照这一原则,由于数字化标定计算仪表系数需要的差压只能通过压力场获取,所以需要求解标定点的压力场;根据CFD原理,几何模型确定计算域,控制方程反映流体的湍流或层流特性,控制参数反映介质特性,边界条件反映流量和温度、压力流动参数变化,对同一几何模型、控制方程和控制参数,给定不同的边界条件,就可得到不同的流动参数,这种流动参数的集合就是流场,因此流场涵盖了标定点数据,等同于实流标定点;故本发明通过给定不同的边界条件,求取不同的流场,便实现了标定点的数据采集;3)求解标定点压差在每个标定点的压力场中,根据差压式流量计规定的两点取压位置,计算压差:△pi=pi1#pi2式中,△pi是第i个标定点的压差,pi1、pi2分别是第i个标定点流量计规定位置的压力,4)计算标定点的仪表系数按下式依次计算式中,n是测量点数量,Ki是第i点的仪表系数,Gi、γi分别是第i点给定的质量流量和求解的密度;5)计算平均仪表系数同实流标定一样,要确定仪表系数的误差必须相对一个真值,事实上真值并不可#知,所以工程上按统计学原理经常用平均值代替真值,所以需要求取平均仪表系数,以测评误差并用平均仪表系数计算流量分散误差:6)计算标定点的线性误差按下式依次计算7)确定仪表系数不确定度按下式计算σ=δmax%式中,σ是仪表系数的不确定度,δmax是n个线性误差中的最大值;8)计算差压灵敏度式中,ξ是差压灵敏度,△pmin和Gmin分别是最小压差和最小质量流量,9)编制标定数据表将每点的仪表系数、线性误差和平均仪表系数与不确定度制成标定数据表,以汇集标定结果。
 【页数】  39
 【主分类号】  G01F1/50
 【专利分类号】  G01F1/50;G01F25/00
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