热式质量流量计内温度场仿真研究.pdf

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1、长江大学学报(自科版)2014年2月号理工上旬刊第11卷第4期JournalofYangtzeUniversity(NatSciEdit)Feb．2014，Vo1．11No．4·23·热式质量流量计内温度场仿真研究姜兆宇(中石油大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司第五大队，黑龙江大庆163513)[摘要]为进一步了解热式质量流量计内温度场的分布情况，在分析热式质量流量计结构的基础上，建立了温度场的数学模型，利用Fluent仿真软件对热式质量流量计内温度场进行仿真分析，研究了在不同流量、不同功率下温升随流量的变化规律和在一定功率条件下温升随时间的变化规律。研究结果表明，加热丝的

2、加热功率恒定时，加热丝周围流体的温度随着流量增大而减少；液相流量小于20m。／a时曲线变化明显，存在很好的分辨率；液相流量大干20m。／a时，分辨率相对较低，可通过提高加热功率来提高分辨率；当加热丝的加热时间为80s时，测温传感器测得加热丝的温度基本不变，该结果可指导多相流实验装置上的动态试验。[关键词]热武质量流量计；温度场；数学模型；Fluent仿真[中图分类号]TE927[文献标志码]A[文章编号]热式质量流量计是利用流体流过热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量的一种流量仪表

3、。过去习惯称之为热式流量计，工业上一般将其应用于地面上气体的质量流量测量，工业上使用这种测量方法的仪表还有热线风速仪、浸入型流量计等。热式质量流量计目前主要应用于地面上测量气体质量流量或微小液相流量的测量，但应用热式质量流量计测量井下液相流量测量的研究工作还很少，也尚未在油井中的液相流量测量得到应用。对于井下热式质量流量计内部温度场的仿真研究更是少之又少。为此，笔者对热式质量流量计内温度场进行了数值仿真研究。1热式质量流量计结构热式质量流量计结构示意图如图1所示，测量装置由热源加热器、2个温度传感器以及测量电路构成。在筒状测量管段下方沿流体流动方向安置一个温度传感器1，测量流体

4、的背景温度。在温度传感器l上方一定距离安置1个温度传感器2，在温度传感器2外部绕制电阻丝，作为恒定的热源，温度传感器2测量电阻加热丝在不同流量下被流体冷却图1热式质量流量计结构示意图的程度。2数学模型按照流道和测速探头的几何结构，选择如下参数：二维圆管长300ram，直径20mm，即建立1个长300mm，宽20mm的长方形。在二维圆管内中央位置设有长10ram，直径4mm的加热丝，即建立1个长lOmm，宽4ram的小长方形位于大长方形的中央。将测量装置内加热丝周围进行放大仿真，建立了1个加热丝的二维模型(见图2)。图2圆管和加热丝的二维模型[收稿日期]2013—11～o7[作者

5、简介]姜兆宇(1988一)，男，助理工程师，现主要从事油气井测试方面的研究工作。·24·理工上旬刊*数理科学与应用2014年2月3边界条件设定进入Fluent后，通过Boundary表1仿真介质的物性参数Conditions对话框来完成设置边界条件工作。首先，查油、水和加热丝的物性参数(见表1)。仿真时流体区域设置材料为水或油，加热丝同体区域设置材料为镍镉合金。由于Flnent材料库中水的物性参数已提供，可以直接使用。油和加热丝(镍表2不同流量下的截面速度、雷诺数、湍流强度铬合金)需要创建。按照表1创建完成后总流量／m。·d截面速度／in·s雷诺数船湍流强度0．12699305

6、选择区域属性时便可输入。其次，设置人00982383SS口为速度入口。在仿真时可以通过表2方0．092161596便地查找仿真流量对应的各种参数。然n．08,J512556O．O80335【j31后，设置fiJ口为压力出口。最后，定义壁0．077498356面wai—wall，即将圆管的上表面和下表面0．075366568定义为墙壁。将加热丝nei—wail定义为具0．073668373有一定功率的光滑壁面．无滑移。4数值模拟结果及分析4．1圆管内加热丝温升随流量的变化加热丝加热功率分别为10、20、36W时，水平圆管内通入不同流量的水进行加热。将通入水的初始温度设定为25℃(

7、298K)。利用Fluent软件计算出来的300ram长、20mm宽的二维圆管内加热丝持续加热时周围流体的温度分布图以及加热丝达到的最终温度和初始温度等信息(见表3)。为了方便观察，只截取了加热丝附近的温度分布情况，并对其放大。1)加热丝加热功率为10W时温升同流量变化规律表3所示为加热丝加热功率为10W、流量从1～30m。／d变化时水平管内温度稳定时的温度分布图。加热丝的颜色越暗，代表温度越高，越浅代表温度越低。T代表水的初始温度，也就是整个水平管内的最低温度；T代表加热丝所达到的最高温度