孔板流量計(jì)上游淤積故障診斷與修正研究
摘 要 在利用流場(chǎng)仿真軟件對(duì)孔板正常工況和故障工況進(jìn)行建模與仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，得出故障所導(dǎo)致的孔板流出系數(shù)偏差量與淤積程度的關(guān)系式。為達(dá)到在線診斷的目的，在傳統(tǒng)的孔板法蘭取壓點(diǎn)后方，再增加一取壓點(diǎn)，計(jì)算兩組差壓的比值，再計(jì)算差壓比值因子 k，k 反映了淤積所導(dǎo)致流場(chǎng)的畸變程度。通過(guò)分析和仿真確定了 k 所在位置( P3) 的***佳選取點(diǎn)，并進(jìn)一步得出 k 與故障程度 J 的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)此公式，可以實(shí)現(xiàn)淤積故障的在線診斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量值的在線修正。仿真與實(shí)驗(yàn)證明: 診斷后，能將淤積***嚴(yán)重工況下的測(cè)量結(jié)果修正到 ± 1% 誤差以內(nèi)。并通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性及其在工程上的實(shí)用性。
1、孔板 CFD 建模與仿真①：
1． 1、孔板系統(tǒng)的 GAMBIT 模型：
進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)孔板尺寸的管道直徑 D = 50． 0mm、孔板孔徑 d = 37． 5mm、孔板孔徑與管道直徑比值 β = d /D = 0． 75、節(jié)流孔厚度1mm、孔板厚度 3mm，取壓方式為法蘭取壓，流體介質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣，孔板的前后直管段分別為 60D、20D。先對(duì)無(wú)淤積的正常工況進(jìn)行仿真分析，作為與淤積工況對(duì)比的基準(zhǔn)。已經(jīng)有研究者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行 CFD 仿真研究［6］，可見相關(guān)文獻(xiàn)。
圖 1 正常工況下孔板實(shí)體模型縱向剖面示意圖
表 1 GAMBIT 網(wǎng)格格劃分
為研究方便將淤積高度分為 10 等分，即對(duì)應(yīng)于 J =0． 1、0． 2、…、1． 0 這 10 種情況。實(shí)際裝置中，孔板往往位于低位，為簡(jiǎn)化仿真模型，將孔板淤積段前方也視為水平管道。淤積設(shè)為固定壁面。對(duì)應(yīng)于 J = 0． 1、0． 2、…、1． 0 時(shí)，圖 2 為淤積孔板和淤積剖面圖，網(wǎng)格的劃分方法與表 1 相同。這樣共得到 10 個(gè)淤積工況的 GAM-BIT 模型，所不同的只是淤積的高度 h。
圖 2 淤積孔板與淤積剖面示意圖
仿真計(jì)算的目的是在已設(shè)定的工況下( 入口速度與淤積高度確定時(shí)) ，研究流出系數(shù)的變化。仿真參數(shù)與條件設(shè)定見表 2。對(duì)應(yīng)于正常工況與10 種故障工況，入口有 6 個(gè)速度點(diǎn)，一共要進(jìn)行66 次仿真計(jì)算，計(jì)算模型中設(shè)置 3 個(gè)靜壓( 表壓)監(jiān)測(cè)點(diǎn) P1、P2、P3，P1和 P2分別為管壁上距離孔板前、后端面各為 25． 4mm( 1 英寸) 處的法蘭取壓點(diǎn)，P3為下游距離孔板后端面 1． 4D 處的取壓點(diǎn)，后文會(huì)解釋選取 P3取壓點(diǎn)的原因。P1、P2、P3點(diǎn)的靜壓( 表壓) 為 p1、p2、p3，每次仿真顯示并記錄這 3 點(diǎn)的靜壓，每個(gè)速度點(diǎn)仿真計(jì)算過(guò)程收斂后，用式( 1) 計(jì)算孔板的流出系數(shù) C1［2］，同時(shí)用國(guó)標(biāo)中的 Ｒeader-Harris 公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)流出系數(shù) C0:Δp = p1－ p2qm= ( C1/ 1槡－ β4) εA02ρ( p1－ p槡2) ( 1)第 10 期 張 濤等． 孔板流量計(jì)上游淤積故障診斷與修正研究3321式中 A0———孔板節(jié)流孔面積，
表 2 仿真計(jì)算參數(shù)與條件
2、仿真計(jì)算結(jié)果分析：
淤積前、后孔板 CFD 結(jié)果見表 3。正常工況下的 CFD 結(jié)果見表 3 第 1 行數(shù)據(jù)。因?yàn)閲?guó)標(biāo) C0隨流量點(diǎn)的不同( 即隨著雷諾數(shù)變化) ，有非常微小的變化( 在工程應(yīng)用中，往往在一個(gè)較窄的流量范圍內(nèi)將 C0看作定值，但在研究中應(yīng)對(duì)待) ，所以在整個(gè)速度范圍內(nèi)，研究 C1相對(duì) C0的誤差 ΔC 更為準(zhǔn)確直觀。在各個(gè)速度計(jì)算點(diǎn)，C1均高于 C0，誤差在 0． 98% ～ 1． 23% 范圍內(nèi)波動(dòng)，誤差值的方差為 0． 006 1，因方差值較小，所以取6 個(gè)流量點(diǎn) ΔC 的平均值作為此流量范圍 ( 2 ～22m / s) 內(nèi)的 誤 差 ( 恒 定 值 ) ΔCp，即 認(rèn) 為 ΔC =ΔCp。與實(shí)流實(shí)驗(yàn)一樣，CFD 數(shù)值模擬存在著各種系統(tǒng)誤差，如管壁粗糙度設(shè)置及計(jì)算過(guò)程的舍入誤差等，但與國(guó)標(biāo) Ｒeader-Harris 公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，足以證明其結(jié)果的正確性
表 3 淤積前、后孔板 CFD 結(jié)果 ΔC 值
3、基于差壓比值因子的淤積故障診斷：
3． 1、差壓比值因子的引入：
因仿真采用速度入口，孔板發(fā)生淤積時(shí)，研究孔板附近的速度云圖( 圖 3) ，上下兩幅圖對(duì)應(yīng)于入口速度為 6m/s、正常工況與淤積 J 為 0． 7 時(shí)的云圖。從圖中與仿真數(shù)據(jù)可見，在孔板下游 5D的范圍內(nèi)，當(dāng)有淤積發(fā)生時(shí)孔板下游流體高速核心區(qū)向下方偏轉(zhuǎn)，淤積越多偏轉(zhuǎn)程度越大，管道下方的流體邊界層稍有變薄。管道下部徑向速度梯度變大，總體上管道內(nèi)的平均流速稍有增加，相應(yīng)地，對(duì)應(yīng)處的靜壓減小，隨著 J 增大減小得越多。
圖 3 正常與淤積工況速度流場(chǎng)云圖
從物理學(xué)解釋如下: 因孔板上游淤積，故管道變細(xì)，使得入口處管道空氣流入淤積處時(shí)，速度變快，動(dòng)量變大，而經(jīng)過(guò)孔板的射流作用后，它在孔板下游恢復(fù)成管內(nèi)勻速流動(dòng)的距離就更長(zhǎng)一些。所以在云圖中看到，孔板后方 5D 處，正常工況孔板下游高速核心區(qū)基本結(jié)束，氣體恢復(fù)成管內(nèi)勻速流動(dòng)，而明顯地在孔板淤積后該核心區(qū)并未結(jié)束。淤積越多，下游的高速核心區(qū)就需要越長(zhǎng)的行程才能恢復(fù)成管內(nèi)勻速流。這意味著淤積故障后下游法蘭取壓后管道軸向速度場(chǎng)梯度明顯變小，而根據(jù)伯努利方程可知，壓力場(chǎng)梯度也相應(yīng)地小于正常工況，而且淤積越多壓力梯度越小，因流場(chǎng)相對(duì)于正常工況的這種畸變不可見，所以考慮在孔板下游取一點(diǎn) P3，該點(diǎn)靜壓與法蘭取壓點(diǎn) P2的靜壓差值為 p3－ p2，取比值:k = ( p3－ p2) /Δp。
圖 4 差壓比值因子 k 隨速度及淤積的變化規(guī)律
P3在孔板下游 1． 4D 處并不是偶然的，根據(jù)文獻(xiàn)［7，8］給出的經(jīng)驗(yàn)公式，在孔板下游管道內(nèi)，流體對(duì)管道內(nèi)壁的剪切力作用存在***小值點(diǎn)，這一點(diǎn)處的壓力值隨湍流變化的影響***小，靜壓的波動(dòng)***小。將所研究的管道口徑流量等數(shù)值代入經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后，得到剪切力***小值點(diǎn)在孔板下游 1． 4D 處，并且此點(diǎn)不隨速度變化而移動(dòng)，這就說(shuō)明了取孔板后方 1． 4D 作為取壓點(diǎn)的合理性。這一方法稱為“一節(jié)流兩差壓”，通過(guò)它可以方便并較準(zhǔn)確地測(cè)得孔板淤積程度 J，從而實(shí)現(xiàn)故障的即時(shí)診斷。對(duì) J = 0． 1 ～ 1． 0 各個(gè)工況，取 k 在各速度點(diǎn)下的平均值 kp，kp與 J 的函數(shù)關(guān)系如圖 5 所示。進(jìn)行***小二乘擬合，得到以下公式，二者互為反函數(shù):kp= － 0． 0072J3－ 0． 0161J2－ 0． 0183J2+ 0． 3064 ( 6)J = ( － 8． 4942k3p+ 6． 9281k2p－ 1． 8990kp+ 0． 1758) /1000
圖 5 差壓比值因子 kp與淤積程度 J 的函數(shù)關(guān)系
4、故障診斷修正方法的實(shí)流驗(yàn)證與誤差分析：
4． 1 、實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)介：
實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成。系統(tǒng)采用離心風(fēng)機(jī)作為氣源，用氣體渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，其流量范圍連續(xù)可調(diào)，裝置不確定度為 0． 15% ( 擴(kuò)展不確定度為 2． 00% ) ，實(shí)驗(yàn)管道部分口徑 D = 50mm。對(duì)于實(shí)驗(yàn)用孔板，專門設(shè)計(jì)加工了法蘭取壓套件，因涉及取壓點(diǎn) P3，要方便驗(yàn)證 P3點(diǎn)的位置，所以在孔板后方 1． 0D、1． 2D1． 4D、1． 6D、1． 8D、2． 0D 處加裝多個(gè)取壓點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中只選用一個(gè)，不用的取壓點(diǎn)管壁內(nèi)部孔洞用螺母旋緊，使之與內(nèi)管壁平整，不至于影響管內(nèi)流場(chǎng)。先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)孔板正常工況的實(shí)流實(shí)驗(yàn)，以對(duì)應(yīng)于仿真中的正常工況模型。而在涉及水分淤積實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)計(jì)算后將管道中注入定量的水，形成10 個(gè)淤積高度，這樣就設(shè)置了 J 從 0． 1 ～ 1． 0 的效果。
4． 2 、實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
4． 2． 1 、淤積對(duì)流出系數(shù)的影響實(shí)驗(yàn)：
圖 6 實(shí)流實(shí)驗(yàn)中孔板淤積后的 C 值
驗(yàn)設(shè)置了 4 個(gè)淤積程度，為 0． 25、0． 50、0． 75、1． 00; 每 個(gè) 淤 積 程 度 下，取 4、8、12、16、20m / s共 5 個(gè)流量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中取 P3距離孔板后端面1． 0D、1． 2D、…、2． 0D 各點(diǎn)，驗(yàn)證了取 P3在孔板后距離 1． 4D 處時(shí)，算出 k 值的方差小于其他 5點(diǎn)。此時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 7 所示，k 值近似為一條水平直線。取 k 的平均值 kp，并求 kp與 J 的關(guān)系，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在同一個(gè) k 值下，CFD對(duì) J 求得的結(jié)果誤差不超過(guò) ± 5% 。
圖 7 實(shí)流實(shí)驗(yàn)差壓比值因子與速度、淤積的關(guān)系
3.2節(jié)提到的“一節(jié)流兩差壓”方法及時(shí)地診斷了故障狀況，修正了流量測(cè)量結(jié)果。將圖 7 與圖 4 的曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)的情況下，可知在相同 k 值下，CFD 對(duì) J 求得的結(jié)果誤差不超過(guò) ± 5% 。再將 J 的誤差代入式( 4) 中，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，J 的誤差對(duì)流出系數(shù)產(chǎn)生的誤差***大不超過(guò) ± 1% ，也就是說(shuō)故障診斷算法對(duì)流量的修正值算法度為 ± 1% 。
5、結(jié)論：
5． 1、采用 CFD 數(shù)值模擬孔板流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)情況，能彌補(bǔ)實(shí)流實(shí)驗(yàn)中各種實(shí)際條件的限制，是種有效的方法。“一節(jié)流兩差壓”的方案結(jié)合CFD 求得的經(jīng)驗(yàn)公式，能有效地在線計(jì)算出孔板上游淤積的故障狀況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了淤積故障的即時(shí)診斷，并能在線修正流量測(cè)量值。通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，方法是有效的，算法的度較為滿意，可以從實(shí)驗(yàn)室向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)推廣，在工程實(shí)踐上具有應(yīng)用價(jià)值。
5． 3、文中所涉及的淤積工況，只是孔板“病態(tài)”工況之一，除此之外，如孔板上下游直角區(qū)污物堆積、孔板表面沾污、孔板直角邊磨損情況下故障的檢測(cè)診斷與修正，都可以應(yīng)用類似方法進(jìn)行研究。而對(duì)于更為復(fù)雜的情況，還可結(jié)合智能預(yù)測(cè)等算法來(lái)解決，這些都將是下一步研究工作的方向。