基于压力波传播的流体流量远程测量方法

严 伟

内江职业技术学院,内江,641000

基于压力波传播的流体流量远程测量方法

严 伟

内江职业技术学院,内江,641000

为了实现流体流量的远程测量,研究了水平管道中压力波传播的理论模型及测量方法。采用传输线模拟(TLM)的网络模拟方法测量水平管道中流量计下游的压力波的衰减情况,然后以它为理论模型来取得相关的理论数据。结果发现,理论模型和实验结果相当一致,证明了理论模型的正确性和流体流量远程测量的可行性。

压力波;远程测量;流体;流量

0 引言

流体管道中压力波传播理论在流体工程学的各个领域(如石油流量的远程测量等)都有着广泛的应用,但以前的研究鲜有为典型的脉动管流提供一个简单而可靠的理论模型。

若要设计或分析一个流体动力系统,必须首先对其性能作出准确预测,这种预测就是基于流体系统的数学模型来确定系统动态参数。根据特定的系统和所给的参数对流体动力系统进行建模的技术可以分为集总模型、参量方案、联系图表模型、模态分析和传输线模拟(transm ission line modeling,TLM)等类型。其中,传输线模拟和波在结点的散射是脉动流体流动模拟的主要手段,这是因为上述两种方法运用了统一的参量来描述流体的压力与流量,使得分布式流体系统的建模变得容易。在上述两种方法中,线性流动被等价为一个单纯的时间延迟效应,而波的吸收、透射和散射则在结点处进行,为此大部分的计算只需要在结点处进行就可以了。脉动流体流动模拟模型是基于分布式的摩擦和一系列结点处的阻力等概念建立的,且与实验系统相同,该系统的输入值是采集到的实验系统的压力数据,输出则是压力波的时间延迟、衰减和系统内的反射效应。

1 传输线模拟

应用传输线模拟的管道流是一个非常理想的流动模式,该模式是一定的运动方程和连续性的近似结果。为方便起见,可以将压力波简化为两个波动方程:流动方程和压力方程,求解方程可得流量和压力,流量和压力是描述两列朝相反方向以声速传播的波的参数。此处的管道是一种无损失、无散射的传输线。

为了更好地描述传输线模拟,可用波散射变量来替换压力和流量,因为它们与一维管道中传播的波有着紧密的联系,同时又可以在其他类似的模拟中找到相关的概念和定义。对于流体而言,任何一点的总量正比于该处的压力,而压力差使它们流动。在结点处,通常情况下波部分被反射、部分透射。结点对波的散射特性是通过结点处流体的质量守恒和压力的连续性来计算得出的。波在传输中的衰减效应则被集中到结点处,以结点散射系数的方式保持传输线理想无阻的模拟状态,这样处理使计算更为简捷和经济。

传输线模拟[1]的基本方程源于模拟电路。将传输线路分成许多部分,各部分都替代为一个由电感L和电容C构成的电路。由下面的关系可以得到各部分间的压力p和流量qm的关系:

其中,下标1和2表示对应编号的线路的末端。此变换的逆变换即由压力和流量到散射变量u和v的变换由下式给出:

式中,Y为流体线导纳;u、v为管道中沿相反方向传播的波的变量。

从物理学角度看,u、v波的叠加构成了管道中某点的压力和流量,u、v波互不影响,计算压力和流量时把它们相应的量相加即可。

管道通过结点联系在一起,在结点处,波被反射、透射或吸收,具体情况依据结点的类型而定。有6种可用的结点,即B 型、F型、E 型、ER型、O型、OR型结点。一封闭的端口为B型结点,该结点处整个波将会被全部反射;如果是O型结点,则反射和透射都存在;O型结点和OR型结点的区别在于它们对波的吸收效果不同,或者说其阻力不同;E型和F型结点为管道的边界结点。在模型中有两种阻力,分别为管道的阻力和结点的阻力,管道的阻力取决于管材和管内流体中的湍流,结点处的阻力由使用者确定。

2 SUNAS简介

基于传输线模拟技术产生的SUNAS[2]是一个一维网络建模工具,是在FORTRAN 77环境下编写的。运用SUNAS时,首先要定义该管道网络的拓扑结构,即一个标示出了管道和结点连结方式的原理图。对结点按照压力递减的顺序编号,常用以下数据:结点的数量、结点的名称(如输入、阀门或出口)、类型和连接的管道的编号。在输入了管道的详细几何数据之后,程序将自动把管道分段并进行计算,计算所用时间与分段的数量的平方成正比。

入口处的边界条件是基于测量得到的压力值确定的。输出数据可在管道的任一点获得,每一点通过输入管道数量、数据点所在管道的位置和所需的变量(压力、流量)。输出的数据可以写在一个文本文档中,然后转换为一个电子表格以供分析。

3 空气压力波传播的实验测量

为了评估远程流量测量中SUNAS的效果,使用一个脉冲射流流量计来产生空气流动的压力波,并用以和SUNAS模拟的结果进行比较。用于模拟压力波在空气管道中传播的实验装置如图1所示,其管道由一个30m长、内径0.05m的水平PVC管构成。

图1 压力波在空气管道中传播的实验装置

脉冲射流流量计位于管道的上游,用于产生压力波,随着压力波向管道下游传导,压力波逐渐衰减,在管道的6个位置(图1)分布着用于测量瞬时压力的压力传感器和用于测量静态压力的压力计。采集的数据被传送到电脑、示波器和信号分析仪进行记录、分析和流量确认。

4 SUNAS建模

为了模拟图1所示管道中的空气脉动流动,要用到一个28.5m长的管道,其拓扑结构如图2所示。程序把整个管道分为56段,由57个结点相互连接,前面54段管道长度均为0.50m,最后两段管道长度为0.75m。首末结点被定义为E型结点,其余结点均为OR型结点。管道直径为50mm,材料为PVC。

图2 管道的拓扑结构和尺寸

为了按输入管道的拓扑结构数据运行SUNAS,某些参数必须预先确定。在模拟稳恒态时,首末结点的平均静态压力作为常数输入,这是为了让软件的动态计算部分计算出整个过程中的摩擦损失。上述每个管段的平均静态压力损失为

式中,pin和pout分别为第一个结点处的输入压力和最后一个结点处的输出压力;npipe为管道的段数(图2拓扑结构中的段数为56)。

每个管段的平均阻力为

式中,qm为管道的质量流量,kg/s。

由于实验中管道末端的气体直接通入大气,故输出(结点57处)压力可以认定为零(标准大气压)。通过式(3)及式(4)可计算出每个管段的平均阻力为33.8kPa◦s2/kg2。第1个结点是一个随时间变化的压力边界条件,它将作为输入数据,其波形数据通过重复测量得到。因此,图3的实验数据输入将作为结点1的动态边界条件。出口处的结点(结点57)是一个压力边界,其对应的静态压力为大气压力。

5 模拟结果和测量结果对比

根据图2提供的信息和输入数据文件,SUNAS将生成一个运行文件。管道分段的长度、压力变量的历史记录、数据采样周期和运行时间等,必须在运行文件中提供。图3所示为 p0、p3处SUNAS模拟和实验测得的压力脉冲波形。由图3中p3的测量曲线3(即模拟输出的压力波)可以看到,模拟结果存在时间延迟效应,这是由波的传输造成的。可以看出,传感器偏移校准后,波动压力的时间平均值必须为零;压力表的读数代表静态压力,它是瞬态压力的平均值。图3所示的实验结果波形是波动和静态压力的合成图,可以看出,p3的模拟结果和实验测量得到的结果非常相似,其中频率和振幅特别相似,这表明SUNAS模拟与实验测量结果是一致的。

图3 空气流量为0.02m3/s时p0和 p3的模拟及实验结果

图1中的脉冲射流流量计的流量可以通过示波器、电子信号分析仪和电脑的压力脉动信号来显示和分析。图4为流量计的校准图,可以看出,体积流量qV从0.0039m3/s到0.0236m3/s,相当于示波器的频率从3.8Hz到25.4Hz,而流量与频率f(H z)的关系可认为是线性的,这样可以用线性回归的方法来拟出合适的曲线方程:

图4 压力脉动射流流量计的校正

6 压力波测量中的噪声

在压力波衰减远程流量测量中,很多情况下会存在一定的环境噪声,这是由于管道流中任一微小压力或速度的非正常扰动,都会对压力波的传播产生干涉,进而形成环境噪声。过滤压力波测量中的噪声是远程测量流量的关键,因此在实际测量之前,在压力波的测点上,环境噪声的强度及其与预期压力波的关系必须得到校正和确认。

有一种专门用于测量压力脉动的特殊压力传感器——偏转传感器,可用于过滤噪声和测量压力波。这就需要和偏转传感器的生产厂家进行必要的合作,有针对性地研发各种传感器,使其应用于不同的流体介质、不同的应用环境和不同的压力波频率范围。

7 结语

本文通过模拟和实验研究分析了空气沿水平管道传播时压力波的衰减情况。压力波的模拟是基于传输线模型(TLM)通过软件SUNAS进行的。模拟结果表明,对于信号衰减的情况,模拟的结果和实验测量的数据非常一致。实验结果表明,压力波在安装有脉动射流流量计的管道中的传播非常成功,这表明通过测量管道压力波的传播来实现远程流体流量的测量是可行的。

[1] 邹文康.基于波过程的传输线模拟方法[J].强激光与粒子束,2007(9):165-168.

[2] Beck SB M,Boucher R F.SUNAS[M].Sheffield,UK:University of Sheffield,UK,1993.

Rem ote Measurement Methodsof Fluid Flow Based on Pressure Wave Transmission

Yan Wei
Neijiang Vocational Technical College,Neijiang,Sichuan,641000

In order to achieve a rem otem easurement for fluid flow,research wasmade on theoretic models and experimental measurement m ethods for transmission p ressure wave of the horizontal pipeline.A transm ission line modeling(TLM)netw ork modeling method was used to measure the p ressurew ave attenuation of the horizontal pipelines in the downstream from the flow meter,the theoretic dataw as also obtained by using its theoreticmodels.It is found that the theoreticmodels and experimental resu lts are matched closely.It has show n the values of such a theoreticm odel and the feasibility of the remotemeasurement of fluid flow.

pressure wave;remotemeasurement;fluid;flow

TH 814

1004—132X(2011)12—1424—03

2010—08—19

(编辑 何成根)

严 伟,男,1960年生。四川省内江职业技术学院机械工程系讲师。主要研究方向为煤矿机械、煤矿排水系统。