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热式质量流量计仿真研究

浏览: 发布日期:2017-08-06 23:07:09

 热式质量流量计是利用流体流过热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量,或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体质量之 间的关系来测量流体质量流量的一种流量仪表。过去习惯称之为热式流量计,工业上一般将其应用于地面上气体的质量流量测量,工业上使用这种测量方法的仪表还 有热线风速仪、浸入型流量计等。热式质量流量计目前主要应用于地面上测量气体质量流量或微小液相流量的测量,但应用热式质量流量计测量井下液相流量测量的 研究工作还很少,也尚未在油井中的液相流量测量得到应用。对于井下热式质量流量计内部温度场的仿真研究更是少之又少。为此,笔者对热式质量流量计内温度场 进行了数值仿真研究。


    1 热式质量流量计结构


    热式质量流量计结构示意图如图1所示,测量装置由热源加热器、2个温度传感器以及测量电路构成。在筒状测量管段下方沿流体流动方向安置一个 温度传感器1,测量流体的背景温度。在温度传感器1上方一定距离安置1个温度传感器2,在温度传感器2外部绕制电阻丝,作为恒定的热源,温度传感器2测量 电阻加热丝在不同流量下被流体冷却的程度。




图1 热式质量流量计结构示意图


    2 数学模型


    按照流道和测速探头的几何结构,选择如下参数:二维圆管长300mm,直径20mm,即建立1个长300mm,宽20mm的长方形。在二维 圆管内中央位置设有长10mm,直径4mm的加热丝,即建立1个长10mm,宽4mm的小长方形位于大长方形的中央。将测量装置内加热丝周围进行放大仿 真,建立了1个加热丝的二维模型(见图2)。




图2 圆管和加热丝的二维模型


    3 边界条件设定


    进入Fluent后,通过BoundaryGonditions对话框来完成设置边界条件工作。


    首先,查油、水和加热丝的物性参数(见表1)。仿真时流体区域设置材料为水或油,加热丝固体区域设置材料为镍镉合金。由于Fluent材料 库中水的物性参数已提供,可以直接使用。油和加热丝(镍铬合金)需要创建。按照表1创建完成后选择区域属性时便可输入。其次,设置入口为速度入口。在仿真 时可以通过表2方便地查找仿真流量对应的各种参数。然后,设置出口为压力出口。最后,定义壁面wai-wall,即将圆管的上表面和下表面定义为墙壁。将 加热丝nei-wall定义为具有一定功率的光滑壁面,无滑移。


表1 仿真介质的物性参数




表2 不同流量下的截面速度、雷诺数、湍流强度




    4 数值模拟结果及分析


    4.1 圆管内加热丝温升随流量的变化


    加热丝加热功率分别为10、20、36W时,水平圆管内通入不同流量的水进行加热。将通入水的初始温度设定为25℃(298K)。利用 Fluent软件计算出来的300mm长、20mm宽的二维圆管内加热丝持续加热时周围流体的温度分布图以及加热丝达到的最终温度和初始温度等信息(见表 3)。为了方便观察,只截取了加热丝附近的温度分布情况,并对其放大。     


    1)加热丝加热功率为10W时温升同流量变化规律


    表3所示为加热丝加热功率为10W、流量从1~30m3/d变化时水平管内温度稳定时的温度分布图。加热丝的颜色越 暗,代表温度越高,越浅代表温度越低。Tmin代表水的初始温度,也就是整个水平管内的最低温度;Tmax代表加热丝所达到的最高温度。从表3中加热丝的 颜色可以清晰的看出,随着流量的逐渐增大,加热丝的颜色逐渐变浅,可见温升值逐渐减小。流量为1m3/d时,加热丝达到的温度最大值,温升也最大;流量超过20m3/d小于30m3/d时,温升减小,说明此时加热丝产生的热量散失;流量小于20m3/d时,有很好的流量分辨率,大于20m3/d时分辨率降低。


表3 加热丝加热功率为10W时的温度的分布表




    从图3中可以看出,当加热丝加热功率为10W时,加热丝的温升随流量的增加而减少,并且在20m3/d以下时,温升变化较大,有很好的流量分辨率;大于20m3/d时,温升变化不明显。原因在于加热功率不高,产生的热量迅速散失,流量越大,热量散失的越快。


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