[发明专利]基于计算流体力学的大数据流量计开发方法

摘要

一种基于计算流体力学的大数据流量计开发方法，解决传统的流量计开发方法开发周期长，耗费成本高，所设计流量计的可靠性和稳定性差，影响计量精准程度，使用效果差的问题。该方法以计算流体力学为依托，通过对不同型式的流量计进行流体力学特性的数值模拟分析，来获得流量计的性能规律；并从中选择最优的流量计进行定型设计加工，再辅助实流标定进行修正，得到性能稳定的工业用流量计。该方法不但能够大大缩短流量计的开发周期，还可以节约实流标定过程的费用；并可扩大流量计的设计范围，更大程度上保证流量计的可靠性和稳定性，显著降低流量计的开发成本。

主权项

1.一种基于计算流体力学的大数据流量计开发方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、设计能被加工的流量计；使流量计的尺寸合理，确保可加工性，并用于后续的模型计算；步骤二、建立流体分析用流量计模型体系；在基于计算流体力学特性建立模型的过程中，将管道上不影响流体力学特性的阻流件当做管道来处理，而不用建立该阻流件的实际模型；同时，还需对管道的摩擦阻力系数、管道内径、管道走向、管道的上下游直管段长度、上游结构和下游结构，分别进行详细建模；步骤三、确定合适的工业现场用边界条件；在边界条件的设定过程中，要首先进行流态的分析，流动状态可通过流动特征数‑雷诺数Re进行判断，其计算公式为：式中：ReD—管道雷诺数ρ—流动介质的操作密度，kg/m3v—介质在管道内的平均流速，m/sD—管道直径，mμ—介质的动力粘度，Pa·s判断完流态后，在边界条件上就要采用相对应的流态分析方法；其次，根据雷诺数的计算情况对流体入口边界的湍动能强度进行设定；之后，再选择合适的速度和质量流量入口边界；步骤四、安装流量计的管网计算流体力学分析；在计算流体力学的分析中，为了保证流量计在不同流量范围的计量性能，将工况标定点设置为6个；同时，利用工业现场用边界条件替代传统标定的实验室边界条件，以提升流量计应用在工业现场时的计量精度，并使设计出的流量计适用性和稳定性增强；步骤五、在结果中提取流量计分析用数据；由于采用了数值模拟手段，可随时对介质的各个取压位置进行数据提取，并能够根据介质的属性和不同位置的差压灵敏度，选择更为合适的取压点；以保证流量计在开发完成后适应更广泛的工业现场直管段要求；步骤六、基于流量特性的数据对比；通过同一等效直径比的流量计，在同一系列运行条件下的线性度、流场分布规律，再结合工业现场的应用环境，可以对流量计的定型做初步的判断；并通过速度云图的对比和速度矢量图的对比，来判断流体流过流量计后，壁面附近区域所产生的回流、涡流、转捩和分离情况，进而确保流场的稳定性和可重复性；步骤七、选择合适的流量计设计方案群；通过数据对比分析可以得到流量计的可重复性规律、各工况下对应的仪表系数及差压灵敏度、在一定量程比范围对应的线性度等；结合这些数据，选择流量计可重复性高、仪表系数稳定、差压灵敏度高、在同一量程比下线性度好的流量计结构作为备选；步骤八、群数据的回归及方案初定型；群数据的回归是为了让基于计算流体力学的流量计在应用层面具有普适性，主要是在算法方面对流量计的应用进行回归；而流量计的定型包括对流量计结构的定型，以及对流量计算法的定型；在依托计算流体力学的大数据分析、对流量计结构做了定型，并对算法数据进行回归后，建立流量计的初步定型方案；步骤九、初定型的实标优化及工业现场用流量计定型；经过大数据分析确定的初定型流量计，虽然可以满足工业现场基本的需求，但是，由于工业现场各处管壁的粗糙度略有差异，从而会引起管内流场的微小变化，使得流量计在计量过程中的对应参数发生改变；通过对不同管径系列下、不同结构尺寸下、不同雷诺数范围下、不同流动介质下的实流标定，不同流动介质和不同雷诺数范围可以最终转换为雷诺数形式，可以得到实标优化的函数关系式如下：ΔP1＝f7(ΔP,D,β,Re)式中：ΔP1—实流标定中介质流过差压式流量计产生的差压，PaD—管道内径，mmβ—差压式流量计等效直径比Re—差压式流量计在工况下的雷诺数，用于流态判断和计算ΔP—介质流过差压式流量计产生的差压，Pa经过实标优化后，流量计即成为工业用流量计，并且能够确保在工业现场具有普适性。