Анализ систематических погрешностей измерений в турборасходомерах Текст научной статьи по специальности «Физика»

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070

использованием новых технологий управления проектами - это, безусловно, инновационный путь развития экономики. Государственные органы исполнительной власти всех уровней в РФ должны создавать условия инвалидам для беспрепятственного пользования железнодорожным, воздушным, водным, междугородным автомобильным транспортом и всеми видами городского и пригородного пассажирского транспорта.

Транспортное обслуживание маломобильных граждан в городе Майкопе на сегодняшний день в рамках реализации региональных и муниципальных программ развивается постепенно, что связано с большой капиталоемкостью транспортной инфраструктуры, необходимостью обновлять подвижной состав, реконструировать улично-дорожную сеть с учетом новых технических требований, обустройством остановочных павильонов и коммуникаций. Эффективность доступности проявится в полной мере, когда она будет решаться в комплексе в системе жизнедеятельности человека, включая дороги. Повышение доступности транспортной инфраструктуры способствует интеграции инвалидов и маломобильных граждан в общество, что создаст условия для ускорения экономического развития города.

Муниципальная целевая программа «Развитие общественного транспорта в городе Майкопе на 2012 -2014 гг., в рамках реализации задач развития городской инфраструктуры общественного транспорта, предусматривало приобретение подвижного состава современного технического уровня повышенной комфортности применительно к местным условиям пассажироперевозок и приспособленного для перевозки пассажиров с ограниченными возможностями перемещения.

В продолжение данного направления, одной из основных задач формирования условий максимально эффективно удовлетворяющих потребности населения в транспортной услуге, представленных в программе социально-экономического развития города Майкопа на 2014-2018 гг., является создание равной транспортной доступности населению. Поэтому возникает необходимость оценить транспортную доступность для людей с ограниченными возможностями для города Майкопа, так как имеется статистика о количестве проживающих инвалидов, трудоустраиваемых и обучаемых граждан, нуждающихся в передвижении на транспорте по территории города.

© Ахунова И.Б., Гук Г.А., 2016

УДК:62-98, 62-185

Бажанов В.И.

Профессор, д.х.н., Московский политехнический университет, Москва, РФ

Гришин А.И.

Инженер, Московский политехнический университет, Москва, РФ

Иванова А.Л.

Магистрант, Московский политехнический университет, Москва, РФ АНАЛИЗ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ В ТУРБОРАСХОДОМЕРАХ

Аннотация

В турборасходомере измерение расхода Q жидкости происходит с помощью регистрации скорости вращения крыльчатки (или турбины), помещенной в поток. При этом полагается, что расход пропорционален угловой скорости вращения крыльчатки. Однако сложный характер течения жидкости приводит к тому, что скорость вращения оказывается зависящей не только от расхода, но и от напора потока Н. В настоящей работе проведен расчет параметров течения и показано, что при одной и той же скорости вращения крыльчатки скорость потока не является постоянной, а зависит от напора. При этом величина систематической ошибки определения величины расхода может доходить до 25%.

Ключевые слова

турборасходомер, гидравлика, поле скоростей, 8ТЛЯ-ССМ+, турбулентность.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070

Введение

Расходомеры - устройства, применяемые для измерения расхода потоков жидкостей, имеют широкое применение [1, 22]. Наиболее простыми и надежными из них считаются расходомеры механического типа, такие, например, как турборасходомеры. В этом расходомере жидкость, проходящая через трубу, заставляет вращаться крыльчатку (рис.1).

\

Опорное ось колесо

Рисунок 1 - Схема турборасходомера

Измерение угловой скорости вращения осуществляется датчиком, принцип действия которого состоит в следующем: при вращении колеса магнитом, который на нем находится, создается переменное магнитное поле, за счет которого возникает ток в катушке индуктивности. Катушка индуктивности соединена с системой регистрации, которая и дает значения угловой скорости.

Измеряя угловую скорость вращения турбины, получаем значение расхода как произведение скорости на площадь сечения трубы. Угловая скорость вращения должна быть пропорциональна скорости потока (расходу потока). В действительности течение жидкости в системе, включающей трубу и расположенную в ней крыльчатку - сложный гидродинамический процесс, и скорость вращения турбины может зависеть не только от скорости потока, но и от напора. Анализу этого движения и посвящена данная работа.

Для решения поставленной задачи будем проводить расчет параметров движения жидкости в расходомере, используя пакет 81аг-ССМ+ [2, 10], который позволяет решать гидродинамические задачи методом контрольного объема.

Математическая модель.

Будем решать задачу о движении воды с помощью уравнения Навье-Стокса и уравнения неразрывности [3,120] с учетом турбулентности:

dV1 dV1 dV1 dV1

dt dx1 dx2 dx3

dV2 dV2 dV2 dV2

dt dx1 dx2 dx3

dV3 dV2 dV3 dV1

dt dx1 dx2 dx3

1 dp

--г-— + vVVi, p dx1

1 dp

-^- + uV2V2, pdx2

1 dp

~TL + UV2V3,

pdx3

(1)

дt дt дt

где VÍ,V2, Vз- скорости в направлении осей х1, х2, хз; t - время (с);

2

и - кинематическая вязкость воды; р - ее плотность; V - оператор Лапласа.

Уравнение Навье-Стокса вместе с уравнением неразрывности образуют для несжимаемой жидкости замкнутую систему и вместе с граничными и начальными условиями принципиально позволяют получить решение всех задач механики жидкости для ламинарного режима течения.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070

Поскольку наше течение турбулентное, уравнение Навье-Стокса заменялось уравнением Рейнольдса [3,200], которое можно получить из уравнения Навье-Стокса, производя осреднение по времени:

Течение было принято стационарным, при этом использовалась k-s модель турбулентности [4,30], в которой кинетическая энергия турбулентных пульсаций определяется следующим образом:

k = 1p(W + V22+V32). (3)

Скорость диссипации энергии, аналогично кинетической энергии, можно представить суммой членов

вида:

ÖX]/

и

(4)

Для расчета параметров турбулентности использовались следующие формулы: 8 = С^-р, к = - (Ш),

1

I = О.^е-8 1 = 0,038dh, Сц = 0,09

ёь - гидравлический диаметр; е - турбулентная скорость диссипации; и - средняя скорость потока; I -интенсивность турбулентности; Re - число Рейнольдса; к - турбулентная кинетическая энергия; 1 - масштаб длины турбулентности.

Это уравнение будем решать в программном комплексе 8ТЛЯ-ССМ+, позволяющим решать сложные гидродинамические задачи методом контрольного объема.

Для этого нужно построить 3Б модель проточной части, задать граничные условия и провести расчет для того, чтобы получить связь скорости вращения крыльчатки, скорости жидкости и напора.

На практике жидкость, протекающая под напором Н со скоростью V, вращает крыльчатку, угловая скорость вращения которой оказывается пропорциональной скорости потока. Так как задавая напор и скорость течения жидкости получить в расчете угловую скорость вращения крыльчатки невозможно, мы будем задавать угловую скорость вращения крыльчатки и напор, получая при этом значения скорости потока. Таким образом, мы и определим связь между искомыми величинами.

Вначале построим 3Б модель самого турборасходомера - трубы с радиусом 4 см, внутри которой на оси радиуса 0,5 см помещена крыльчатка. На рис. 2 приведен фрагмент этой модели.

Interface 4

Рисунок 2 - Фрагмент 3D модели расходомера.

Затем, была построена геометрическая модель для области, в которой нет вращающихся частей. Вся модель проточной части с построеной расчетной сеткой показана на рис. 3.

В качестве базового размера ячейки было выбрано значение 5 мм, также была выбрана опция построения сетки по областям, в которой каждая область отдельно разбивается на сетку. В результате была сгенерирована расчетная сетка с 22714 ячейками. Для крыльчатки задаем вращающуюся систему координат.

Выбираем граничные условия: полное давление на входе, давление на выходе, условия непротекания на стенках трубы и условие прилипания на поверхности крыльчатки.

Рисунок 3 - 3Б модель проточной части.

Результаты расчетов

Задавая скорость вращения крыльчатки и перепады давлений на входе и на выходе, получаем в результате поле скоростей и поле давления. Поле скоростей дает возможность найти среднюю скорость движения жидкости в турборасходомере Уср

На рис. 4 и 5 показаны результаты расчетов для конкретных значений перепада давления и скорости вращения.

Анализируя полученные результаты, построим графики зависмости частоты вращения турбины п от расхода Q ^=УСр^ ). Полученные графики показаны на рис. 6.

Рисунок 4 - Поле скоростей ДР=5 кПа; V=1,040 м/с

Рисунок 5 - Поле давления ДР=5 кПа; V=1,040 м/с

Рисунок 6 - Зависимость угловой скорости п от расхода Q при различных значениях напора Н

Из рисунка 6 видно, что с ростом расхода возрастает угловая скорость п, причем зависимость близка к линейной, что является основным принципом работы расходомера. Однако для различных значений напора др

H (Н = —) зависимость числа оборотов в минуту (частота) п от расхода будет различной. Исходя из графика

зависимости угловой скорости п от расхода Q при различных значениях напора Н, показанного на рис. 6, построим график зависимостей угловой скорости п от расхода Q при одном и том же значении п.

Из графика видно, что для одной и той же угловой скорости вращения (одного и того же показания расходомера) значение расхода будет разным при различных значениях напора.То есть при угловой скорости равной 1600 об/мин значение напора, как следует из рисунка, будет равно 2 ± 0,5 л/с. Значит систематическая ошибка равна 0,5 л/с или 25%.

о 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Рисунок 7 - Зависимость расхода Q от напора Н

Выводы.

При определении расхода потока с помощью турборасходомера измеряяется угловая скорость вращения крыльчатки, которая полагается пропорциональной скорости. Течение жидкости в турборасходомере - сложный гидравлический процес, и как показывают проведенные нами расчеты, частота вращения крыльчатки зависит не только от скорости потока, но и от напора жидкости. Это приводит к значительным систематическим ошибкам. Отсюда следует, что при проведении измерений расходомером необходимо вводить поправки на зависимость показаний регистратора от напора потока.

Список использованной литературы: 1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник. Книга 1. - 5-е изд. перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2002. - 409 с.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070

2. Star-CCM+Version 8.04 User Guide, CD-adapco, 2013.

3. Механика жидкости и газа: Учебное пособие для вузов. Под ред. В.С.Швыдкого. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 464 с.

4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. Для вузов.- 7-е изд., - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

© Бажанов В.И., Гришин А.И., Иванова А.И., 2016

УДК 004.9:66.061

А.Т. Галимова, А.А. Сагдеев

к.т.н.; к.т.н., доцент НХТИ ФГБОУ ВО КНИТУ г. Нижнекамск, Российская Федерация

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТА РАСТВОРИМОСТИ УГЛЕВОДОРОДОВ В СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА

Аннотация

Разработанный программный комплекс для расчета растворимости чистых компонентов в сверхкритическом диоксиде углерода с использованием уравнения состояния Пенга - Робинсона и трех параметров бинарного взаимодействия позволяет моделировать процесс сверхкритической флюидной экстракционной регенерации катализаторов.

Ключевые слова

Математическая модель, растворимость, уравнение Пенга - Робинсона

Современная нефтехимическая и химическая промышленности широко используют катализаторы, которые приводят к удешевлению и ускорению химических процессов. Однако существующие способы их регенерации не позволяют полностью очистить активную поверхность катализатора, к тому же воздействие высоких температур приводит к спекаемости и разрушению структуры катализатора.

Использование сверхкритического флюидного СО2-экстракционного процесса в задачах регенерации катализаторов обеспечивает двукратное энергосбережение и большее число циклов возможной регенерации.

В рамках изучения возможностей сверхкритического (СК) флюидного СО2 - экстракционной регенерации катализатора оксид алюминия активный исследованы растворимости, дезактивирующих катализатор соединений [1].

Разработанный программный комплекс предназначен для определения на основе экспериментальных данных наиболее оптимальных параметров бинарного взаимодействия компонентов раствора. На основе полученных параметров, используя уравнение состояния Пенга-Робинсона, производится расчет растворимости веществ в СК-СО2 при различных режимах.

Комплекс включает в себя:

• блоки ввода исходных данных и экспериментальных данных;

• блоки расчета параметров бинарного взаимодействия;

• блоки графической визуализации процесса.

Для расчета растворимости используется уравнение [2]:

д Ук = !_ д 1пфк др ЯТ р др