Автор: В. Н. Петров, С. Л. Малышев, В. Г. Соловьёв, В. Ф. Сопин.
Источник: https://cyberleninka.ru/article/n/faktory-nestabilnosti-poverochnyh-ustanovok-priborov-uchyota
Эксплуатация поверочных установок средств измерений расхода, узлов учёта газа на газоперекачивающих компрессорных станциях показала, что требуемый уровень их метрологических характеристик обеспечивается не всегда. Во многих случаях это обусловлено неравномерным подводом измеряемой среды к приборам учёта или к рабочему участку по испытаниям и поверке средств измерений, а также неравномерным ее распределением по отдельным элементам установки. Многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что в напорных трубопроводах при изотермических условиях течения характер распределения скоростей по сечению не зависит ни от площади сечения трубопровода установки, ни от скоростей течения, ни от физических свойств протекающей среды, а является функций безразмерного комплекса этих параметров, которыми могут быть критерии подобия. Следовательно, результаты исследований, проведенных на одной установке, могут быть перенесены на другую с учетом критериев подобия. Однако, вводимые в эксплуатацию поверочные установки, спроектированные на одинаковую производительность и оснащенные аналогичными приборами и оборудованием, имеют разные метрологические характеристики. К основным причинам, вызывающим это явление, можно отнести конструктивные особенности каждой поверочной установки, которые способствуют возникновению отрыва потока от обтекаемых поверхностей элементов установки, а также внешних пульсаций потока, генерируемых оборудованием, создающим поток, так как они создают неравномерности и пульсации потока в каналах установок. Рассмотрим влияние этих факторов на эксплуатационные характеристики установок.
Отрывные течения представляют собой довольно сложный раздел механики жидкости и газа. Особенностями таких течений являются значительные градиенты давления, искривления линий тока, высокий уровень турбулентных пульсаций скорости. Благодаря этим свойствам в отрывных течениях происходит попеременное изменение направления вектора скорости на противоположное. Надо заметить, что влияние отрывных течений на характеристики потока в установках.
Кроме этого, в потоке могут образовываться когерентные структуры – крупномасштабные периодические вихревые образования, возникающие вследствие неустойчивости слоев смешения, развивающихся и взаимодействующих друг с другом на фоне мелкомасштабной турбулентности. Эти структуры имеют размеры в продольном направлении течения, соизмеримые с поперечным сечением канала.
Отрыв потока возникает при его повороте, внезапном расширении, течении в диффузоре при угле раскрытия более 140, тройнике и т.д. В зависимости от конструктивных особенностей элементов установки возможно возникновение одной или нескольких областей с отрывом и присоединением потока. Положение точек отрыва и присоединения, как правило, заранее неизвестно. В качестве точки отрыва и присоединения потока к поверхности принимают координату, где осредненная величина напряжения трения на стенке обращается в ноль.
В криволинейном канале, наиболее часто встречающемся в поверочных установках, происходит следующий физический процесс. При любом повороте потока возникают центробежные силы, которые повышают статическое давление потока в направлении от центра кривизны, что приводит к соответствующему понижению скорости. По направлению к центру кривизны статическое давление падает, следовательно, скорость возрастает, что приводит к отрыву потока от стенок канала. При угле поворота колена ? = 900 и малом радиусе закругления максимальная ширина вихревой зоны достигает половины поперечного сечения, а длина 309 составляет (3 ? 4) D (диаметр канала). Скругление кромок поворота колена значительно смягчает отрыв потока и, следовательно, улучшает распределение скоростей. Чем больше радиус закругления, тем меньше неравномерность потока и, следовательно, короче участок выравнивания скорости за поворотом.
Экспериментальные исследования, проведенные за последние годы, показывают, что течение в области отрыва и присоединения даже в условиях стационарного внешнего потока является неустой чивым и характеризуется интенсивными низкочас тотными колебаниями, или пульсациями скорости потока.
В работах представлен обзор результатов исследований пульсирующих потоков, выполненные в зарубежных научных центрах, где обозначены основные проблемы, требующие решения. К ним можно отнести:
О характере и степени нестационарности течения в отрывных зонах можно судить по результатам, представленным в работе. Работа посвящена исследованию влиянию турбулентности внешнего потока на характеристики отрывных течений. В ней приводятся результаты исследований различных случаев отрыва потока. В экспериментах измерялись поля осреднённой и пульсационной составляющих скорости, трение и его пульсации на стенке. Особое внимание уделено измерению и анализу таких характеристик, как коэффициент вероятности обратного течения и частота реверсирования потока. Показано, что в отрывных зонах наблюдается интенсивные низкочастотные реверсивные пульсации скорости и трения на стенке, и что турбулизация внешнего потока приводит к сокращению длин зон отрыва.
В работах представлены результаты экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена турбулентного отрывного течения в условиях периодических пульсаций потока. Выявлена существенная перестройка пространственновременной структуры отрывного течения под действием наложенной нестационарности. Обнаружены явления сокращения продольных размеров отрывной области и существенной интенсификации теплообмена в отрывной области пульсирующего потока. Показано, что в процессе переноса в пульсирующем течении, особенно при отрыве потока, важную роль играют когерентные вихревые структуры, а на механизм их формирования основное влияние оказывает переменная составляющая инерционных сил в потоке. Авторы делают вывод, что пульсирующие течения, в том числе отрывные, могут удовлетворительно моделироваться с использованием осредненных по Рейнольдсу уравнений в двухметровой постановке (для простых конфигураций канала). Ввиду высокой чувствительности волновой структуры потока в канале к условиям на границе необходимо четко моделировать граничные условия.
Надо заметить, что существующие на сегодняшний день экспериментальные исследования пульсирующего течения получены путем моделирования структуры течения на специально созданных экспериментальных установках. В литературе отсутствует анализ взаимодействия внешних пульсаций потока с собственными акустическими свойствами канала - это в первую очередь относится к течениям с периодической нестационарностью, обусловленной функциональными особенностями оборудования, создающего поток. Такие исследования необходимы для проектирования эталонных и поверочных установок, а также газоперекачивающих компрессорных станций.
В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик воздушного потока в измерительном участке напорной поверочной установки, создаваемого двумя винтовыми компрессорами, Allegro 38 фирмы «ALUP» номинальной производительностью 250 м3/ч, приведенных к стандартным условиям, и Atlas Copco G250 производительностью 2300 м3/ч, приведённых к стандартным условиям. У винтового компрессора Allegro 38 последовательно в линии подачи воздуха установлены три ресивера емкостью 0,5 м3 каждый. Максимальное давление в системе, соз даваемое каждым из компрессоров, составляло 1,0 МПа. Расход воздуха в диапазоне от 0,1 до 250 ст.м3/ч измерялся набором эталонных критических сопел типа МСК 1Н–11Н, характеристики которых представлены в таблице 1, а также ротационными счетчиками газа модели RVG – G65 фирмы «Elster» DN 50 с диапазоном измерений расхода от 5 до 100 м3/ч и RVG – G160 DN 80 с диапазоном измерений расхода от 13 до 250 м3/ч (в рабочих условиях). В экспериментальных исследованиях использовались датчики избыточного давления Метран 55 DU модели 515 с диапазоном измерений давле ния от 0,25 до 2,5 МПа; термопреобразователь сопротивления ТСП Метран–206–04–100–В–4–1–Н10У1.1 с диапазоном измерений температуры от 50 до 310 200 С0. Блок сопел 1Н–11Н подключен последовательно с RVG и предназначен, как было сказано выше, для задания необходимого расхода газа.
Предложенные в статье меры позволят уменьшить влияние таких факторов, как низкочастотные периодические колебания и турбулентные пульсации потока в поверочных установках. Значительно сложнее решить вопрос учёта факторов, влияющих на точность измерений массового и объёмного расхода и количества газа. Надо заметить, что давление газа после компрессоров газоперекачивающих станций в магистрали составляет 15…20МПа. При этом основными факторами, влияющими на точность измерений расхода и количества газа, могут быть конструктивные особенности компрессорной станции и физические свойства среды, находящейся под таким давлением. Для оценки влияния этих факторов необходимо прове дение дополнительных экспериментальных исследований на режимах и с использованием среды с параметрами, близкими к существующим на газоперекачивающих компрессорных станциях.
1. Идельчик И. Е. Аэродинамика технологических аппаратов.–М.: Машиностроение 1983.–351с.
2. Гиневский А. С., Власов Е. В., Каравосов Р. К. Акустическое управление турбулентными струями.–М. ФИЗМАТЛИТ, 2001.–240 с.–ISBN 5-9221-0161-7.
3. Душин Н. С.. и др. Структура отрыва потока в нестационарных условиях. VI Школа семинар по проблемам тепломассообмена и гидродинамики и энергомашиностроении. Казань , 2008, с186–189