CC BY
19
УДК 681.121.4+676.1
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ БЕЗПРОЛИВНОЙ ПОВЕРКИ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-
БУМАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА
М.С. Лурье, О.М. Лурье, А.С. Фролов
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира 82; e-mail: sibgtu-frolov@rambler.ru
В работе рассматривается вопрос безпроливной поверки погружных вихревых расходомеров применяемых в целлюлозно-бумажного производства. Проанализирована возможность поверки на проливных установках и показана возможность поверки на безпроливной установки. Представлена возможность при поверочных испытаниях учитывать рабочие условия эксплуатации вихревых расходомеров, в частности испытания на волокнистых суспензиях различной концентрации и степени помола. Представлена установки для технологических испытаний погружных вихревых расходомеров и ее основные задачи в процессе испытаний. При этом каждая из камер установки может работать на разных жидкостях. Считая расходомер, установленный в воде образцовым, можно исследовать дополнительные факторы, возникающие при работе прибора на различных технологических жидкостях целлюлозно-бумажного производства. При установке расходомера в трубопровод жидкость (волокнистая суспензия) в КОС движется под действием перепада давлений, образованного вихревой формацией. На испытательной установке она движется под действием перепада давлений, искусственно созданных перемещением мембранных стенок камеры. Поэтому характер движения суспензии в КОС в этих двух случаях будет несколько отличаться. Проведено исследования режимов протекания измеряемой среды через канал обратной связи ТО, как в условиях реального трубопровода, так и в условиях оборудования. Сравнение полученных данных позволит выявить отличительные особенности режимов и выявить влияние указанных особенностей на работу прибора. Проведено исследование путем моделирования режимов протекания измеряемой среды через канал обратной связи тело обтекания в условиях трубопровода и имитационной установки. Представлены результаты моделирования в виде поля скоростей и линий тока жидкости на минимальном расходе измеряемой жидкости. Приведены эпюры скоростей потока в зазорах между чувствительным элементом и каналом обратной связи, а их анализ выявил разницу сил действующих на гибкий электрод искажающих реальную гидродинамику. Для улучшения гидродинамики были исследованы варианты введения в камеру специальных насадок.
Ключевые слова вихревой расходомер, гидродинамика, поверка, волокнистая суспензия, имитационные испытания, моделирование, чувствительный элемент,
The paper addresses the issue of checking bezprolivnoy submersible vortex flowmeters used in pulp and paper production. The possibility of checking on heavy installations and the possibility of checking on bezprolivnoy installation. Presented at the possibility of verification tests take into account the working conditions of operation of vortex flowmeters, particularly tests on fiber suspensions of different concentrations and the degree of grinding. Presented installation for technological tests submersible vortex flowmeter and its main tasks in the test process. Wherein each of the installation chambers can operate at different liquids. Considering the flow meter installed in the water model, you can explore additional factors arising from the operation of the device in various process liquids pulp and paper production. When installing the conduit in a liquid (fiber suspension) at CBS moves under differential pressure formed by vortex formation. On the test rig is moving under the influence of pressure difference, artificially created by moving the membrane walls of the chamber. Therefore, the nature of the suspension movement to CBS in the two cases will be somewhat different. A study of the medium flow mode through a feedback channel of how the pipeline in a real and in terms of equipment. Comparison of the data will reveal the features and modes to identify the impact of these features on the appliance. A study by simulation mode of the medium flowing through the feedback channel flow around the body in a pipeline, and the simulation setup. The simulation results in a fluid velocity field and flow lines at a minimum flow rate of the liquid. Presents diagrams of the flow velocities in the gaps between the sensor and the feedback channel, and their analysis revealed a difference of forces acting on the flexible electrode is distorting the real hydrodynamics. To improve the hydrodynamics were investigated options for the introduction of special nozzles in the chamber.
Keywords: vortex flowmeter, fluid dynamics, calibration, fiber suspension, simulation testing, simulation, sensing element.
ВВЕДЕНИЕ
Погружные вихревые расходомеры являются новыми перспективными приборами, предназначенными для измерения расхода различных технологических жидкостей целлюлозно-бумажного производства (Лурье, 2013).
Достоинства вихревых расходомеров в условиях эксплуатации ЦБП в полной мере могут проявиться
только при условии тщательной первичной, периодической поверки и испытаний данных приборов. Но поверять на проливных установках в России расходомеры с диаметром условного прохода более 200-300 мм проблематично, что и является недопустимым метрологическим фактором при выпуске данного вида расходомеров. Выходом из сложившейся ситуации может быть разработка оборудования и методов для имитационных испытаний. Особенно актуальна воз-
можность технологических испытаний расходоме- Вследствие чего была разработана конструк-
трической аппаратуры на имитационных установках ция имитационной установки, имитирующего ги-
в рабочих условиях эксплуатации, в частности на ре- дродинамические воздействия на приемник вих-
альной измеряемой среде, например, на волокнистой ревых колебаний расходомера представленная на
суспензии заданной концентрации (Лурье, 2010). рисунке 1.
1 - цилиндрические камеры; 2 - мембраны с жестким центром, 3 - мембраны без жесткого центра, 4 - входные патрубки; 5 - пробки для спуска воздуха; 6 - перегородки для вставки тело обтекания образцового и испытуемого расходомера; 7 - патрубки для выпуска жидкости; 8 - электродинамический привод.
Рисунок 1 - Установка для технологических испытаний погружных вихревых расходомеров
На рисунке 1 показана установка, позволяющий не только испытывать одиночный прибор, но и сравнивать работу двух его экземпляров. При этом каждая из камер установки может работать на разных жидкостях. Например, на воде и волокнистой суспензии.
Считая расходомер, установленный в воде образцовым, можно исследовать дополнительные факторы, возникающие при работе прибора на различных технологических жидкостях целлюлозно-бумажного производства. Анализ полученных данных позволяет учесть влияние рабочих условий эксплуатации на показания прибора и ввести, если это необходимо коррекцию в его показания (Лурье, 2010).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Основной задачей оборудования является формирование гидродинамических явлений в канале обратной связи (КОС) тела обтекания (ТО) испытуемого прибора полностью аналогичных тем, которые возникают при работе прибора в реальном технологическом трубопроводе. При этом условия работы приемника-преобразователя вихревых колебаний (ППВК) на оборудовании должны быть аналогичны реальным условиям, что и позволяет применять данное оборудование для испытаний погружных вихревых расходомеров.
При установке расходомера в трубопровод жидкость (волокнистая суспензия) в КОС движется под действием перепада давлений, образованного вихревой формацией. На испытательной установке она
движется под действием перепада давлений, искусственно созданных перемещением мембранных стенок камеры. Поэтому характер движения суспензии в КОС в этих двух случаях будет несколько отличаться. Это вызывает необходимость провести исследования режимов протекания измеряемой среды через канал обратной связи ТО, как в условиях реального трубопровода, так и в условиях оборудования. Сравнение полученных данных позволит выявить отличительные особенности режимов и выявить влияние указанных особенностей на работу прибора.
Для решения данной задачи было использовано численное моделирование с помощью программы Comsol Multiphysics 3.5. Это мощная интерактивная среда для моделирования и решения научных и технических проблем, основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных (Шмелев, 1999). Программное обеспечение пакета поддерживает, конечно-элементную, технологию вместе с адаптивным построением сетки и контролем ошибок при работе с различными численными решателями.
Программа содержит три расчетные турбулентные гидродинамические модели: к-е модель, к-ю модель и модель напряжений Рейнольдса (ЯЛ^).
Первая из них к-е турбулентная модель полагается на несколько допущений, наиболее важные из которых заключаются в том, что число Рейнольдса является достаточно высоким, и что турбулентность находится в равновесии в пограничных слоях, то есть генерация энергии равна ее диссипации. Такие допущения ограничивают точность модели, так как
это (равенство генерации и диссипации энергии) - не всегда выполняется.
Вторая модель основана на расчете напряжений Рейнольдса. В рамках усреднённых по Рейнольдсу уравнений (RANS) решается 7 дополнительных уравнений для напряжений Рейнольдса, что ограничивает решение сложных задач моделирования возможностями конкретного компьютера
Для большинства практически приложений наиболее подходит k-e турбулентная модель. Она используется наиболее часто, так как р основном анализируются квазиустановившиеся турбулентные процессы, здесь данная модель обладает достаточной точностью. Для анализа режимов возникновения или исчезновения турбулентностей можно использовать модель RANS.
Турбулентная k-e модель представляет уравнения Навье-Стокса и два дополнительных уравнения переноса. В ней вводятся две зависимые переменные: кинетическая энергия турбулентности (turbulence kinetic energy), k и скорость диссипации турбулентности (dissipation rate of turbulence energy), e.
COMSOL Multiphysics использует обобщенную версию уравнений Навье - Стокса, чтобы учесть переменную вязкость. Уравнение имеет вид:
du
р--V'
и dt
——Vu + (Vu) )
dk V
р--V •
dt
—
—т
—k ;
Vk
pu ■ Vk = ^——т ( Vu
(Vu )T
ps
не имеющие эквивалентного одночлена. Полученное уравнение имеет вид:
ds
р--V-
И dt
f —
—e ;
Vs
т I т\ 2
pu Vs= —CEl— —]T(Vu + (Vu) ) 2 k ^ '
+ р(и■ V)и + Ур = F, е У п = 0 ,
где п - динамическая вязкость, Па с; и - векторное поле скоростей; р - давление. Па;
- объёмная плотность силы, действующей на жидкость, в том числе и сила тяжести, Н/м\
Первое уравнение это уравнение переноса количества движения, а второе - уравнение неразрывности потока для несжимаемой жидкости. Турбулентная вязкость определяется как:
г к2 £
где С - константа модели.
г
Уравнение переноса для к может быть получено путем взятия следа уравнений для напряжений Рейнольдса:
р 2у,
Константы модели из вышеописанных уравнений определены из экспериментальных данных по результатам исследования турбулентных течений и заложены в программу. Они имеют следующие значения: С,м=0,09; СЕ1=1,44; ^=1,92; стк=1,0; 0^=1,3.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Скорость потока Пер должна соответствовать минимальному, переходному, номинальному расходам прибора (0,1; 0,2 и 4 м/с, соответственно). При решении данного уравнения мы получаем в узлах сетки поле скоростей и давлений. Сетка выбирается в программе автоматически, исходя из заданной погрешности вычислений(по умолчанию 110-3 =0,1%).
На рисунке 2 представлена картина скоростей потока, а на рисунке 3 показаны линии тока в трубопроводе диаметром 80 мм и длиной 250 мм с установленным в нем вихревым расходомером для некоторого момента времени t = 24,8 с.
[ i ri"' ■ : : Surface: Velocity field [m/s]
Max: 0.245
I
Min: 2.34бе-32
Рисунок 2 - Поле скоростей потока вокруг ТО расходомера при иер = 0,1 м/с
Time=24.8 Streamline: Velocity field
Уравнение для переменной е может быть получено аналогично, но в полном виде такое уравнение неприменимо для числового интегрирования. Для моделирования в нем отбрасываются все слагаемые,
Рисунок 3 - Линии тока жидкости для ! ср = ОД м/с
В качестве рабочей жидкости использовались параметры волокнистой суспензии с концентрацией 3 %.
Далее на рисунке 4а приведены результаты расчета движения жидкости (волокнистой суспензии) в окрестности ТО расходомера для минимального расхода, как наиболее критичного для работы приемника-преобразователя вихревых колебаний. Поскольку вычисления выполнялись в виде расчета переходного процесса, то время вычисления задава-
2
лось достаточно длительным для установления ква-зиустановившегося процесса обтекания (в данном случае 25 с).
Ограничивающие струи
Вход струи в КОС
а)
0,16 0,14 0,12 О 0,10
II
. 0,08 Л
Ь 0,06
о <р
О 0,04 а
и 0,02 0,00
' \
\
/ _ > / / \
/ / / / \ ^ \
/ / // \\
// / / \
\ \
0,0 0,5 1,0
Зазор между ЧЭ и стенкой, мм
1,5
---Левый зазор
Правый зазор
б)
Рисунок 4 - Результаты расчета гидродинамического режима при минимальном расходе (иср = 0,1 м/с ) для /=7,68 с: а - линии тока поле скоростей; б - эпюра абсолютного значения амплитуды скорости потока в зазорах между ЧЭ и КОС (зазоры расположены согласно рисунку 4)
Как видно из рисунка 4, вход струи жидкости в КОС происходит не фронтально, а сзади ТО из области повышенного давления образующейся на периферии вихревой формации. Это хорошо видно на рисунке 4а. При этом поток, обтекающий ТО, образует две ограничивающие струи с обеих сторон тела обтекания, которые движутся навстречу струе жидкости, втекающей в КОС. В результате этого эпюра скорости жидкости в КОС при ее знакопеременном перетоке становится неравномерной по сечению.
Для оценки взаимодействия потока в КОС с чувствительным элементом датчика приемника-преобразователя вихревых колебаний приведем эпюры скоростей жидкости (волокнистой суспензии) в зазорах между стенками КОС и чувствитель-
ным элементом датчика (ЧЭ) - гибким электродом (рисунок 4б).
Несимметричность скоростей в зазоре между гибким электродом и стенками КОС говорят о несимметричности действия сил на электрод. Кроме нормальной силы, перпендикулярной плоскости электрода, на него действует и некоторый момент вращения, изгибающий его вдоль продольной оси (на рисунке 4а эта ось перпендикулярна плоскости листа). Это приводит к паразитным колебаниям электрода, которые искажают выходной сигнал преобразователя вихревых колебаний. На малых расходах, где выходной сигнал преобразователя относительно невелик, это обстоятельство затрудняет фильтрацию сигнала и приводит к увеличению погрешности прибора.
Проведем расчет течения жидкости в КОС прибора, установленного в камере оборудования. Для этого будем считать, что на боковую стенку камеры (мембрану) действует перепад давления АР
АР = 13,12 /2 Sin1'l(2пf ) (1)
где f - частота вихреобразования, Гц.
Зависимость амплитуды перепада давлений на ТО данного типа от расхода исследована в работе (Лурье, 2006).
Расчет будем проводить для камеры диаметром 150 мм, длиной 250 мм. Камера разделена пополам перегородкой со вставленным в нее телом обтекания вихревого расходомера. Поскольку сечение камеры больше сечения КОС, то скорости потока в камере будут значительно меньше скоростей потока в КОС. Поэтому представляет интерес изучить только область в окрестности КОС с гибким электродом. Линии тока в КОС приведено на рисунке 5а, а эпюры скоростей жидкости в зазорах показаны на рисунке 5б.
Из рисунка 5,б видим, что эпюры скоростей в зазорах при обтекании ЧЭ потоком жидкости (волокнистой суспензии) изменяются неравномерно, но симметричны, относительно гибкого электрода. Этого следовало ожидать исходя из конструкции перегородки камеры оборудования.
Сравнивая эпюры на рисунке 5,б и 4,б, можно сделать вывод, что силовое воздействие на ЧЭ расходомера будет различно при одинаковых перепадах давления на ТО прибора. Симметричность силы, действующей на гибкий электрод, устраняет паразитные колебания последнего вокруг продольной оси и улучшает условия работы прибора при испытаниях его в камере, по отношению к реальным условиям на трубопроводе.
Следовательно, следует несколько изменить условия обтекания гибкого электрода в испытательной камере оборудования, с целью обеспечить несимметричность скоростей в зазорах между электродом и стенками КОС.
Поэтому для достижения заданной несимметрии скоростей потока в зазорах предложено на время испытания прибора помещать в канал обратной связи профилированную вставку (Лурье, 2015), показанную на рисунке 6.
0,14 0,12 0,10
о
2. 0,08
д
ь
(3 0,06 а
* 0,04 0,02 0,00
/—-—,
/ /
/ 1 / 1 / \ \ \ \ \ \
/ / / \ \ \ \
/ / 1 / \ \ \ \
1 \ \
\ 1
0,0
1,5
0,5 1,0 Зазор между стенкой и ЧЭ, мм
---Левый зазор - Правый зазор
а) б)
Рисунок 5- линии тока через КОС расходомера в камере оборудования при минимальном расходе; б - Эпюры амплитудного значения скорости потока в зазорах между ЧЭ и стенками КОС для расходомера, установленного в испытательной камере установки
Тело обтекания
Канал обратной связи (КОС)
Р 15
Насадки
а) б)
Рисунок 6 - а - общее расположение вставки в КОС; б - размеры вставки
Эта профилированная вставка обеспечивает хорошую гидродинамику (рисунок 7а) и несимметричность потока в КОС (рисунок 7б). Преимущество
данной вставки в том, что она обеспечивает малое гидравлическое сопротивление канала.
а) б)
Рисунок 7 - а - гидродинамика в камере оборудования с профилированной вставкой; б - Эпюры амплитудного значения скорости потока в зазорах между ЧЭ и стенками КОС для расходомера, установленного в испытательной камере оборудования со вставкой в КОС
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, специальная вставка, установленная в КОС прибора перед его безпроливными (имитационными испытаниями) в камере оборудования, позволяет получить сходный с реальным характер течения измеряемой среды в КОС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Лурье, М.С. Измерение расхода волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве / М.С. Лурье, А.С. Фролов // Химия растительного сырья . - 2013. - № 4. -С. 249 - 253.
Лурье, М.С. Технологические испытания и поверка погружных вихревых расходомеров для целлюлозно-бу-
мажного производства / М.С. Лурье, Ю.С. Баранов,
A.С Фролов //Датчики и системы. - 2010. - № 6. - С. 42 - 45. Шмелев, В.Е. Femlab 2.3. Руководство пользователя /
B.Е. Шмелев. - М.: Диалог - МИФИ - 1999. - 442 с. Лурье, М. С. Разработка оборудования для учета расхода
воды и волокнистых суспензий в технологических процессах целлюлозно-бумажного производства: дис. ... д-ра техн. наук: 05.21.03 / М. С. Лурье. - Красноярск: СибГТУ, - 2006. - 384 с. Лурье, М.С. Имитационное моделирование гидродинамических явлений в установке для испытаний погружных вихревых расходомеров / М.С. Лурье, О.М. Лурье, А.С. Фролов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сб. науч. ст. / ВГЛУ - Воронеж, 2015. Т. 3. номер 7-2 (18-2) -
C. 149-152. [DOI: 10.12737/15000].
По ступила в редакцию 21.06.16 Принята к печати 12.09.16
