熱式質(zhì)量流量計(jì)仿真研究

熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用流體流過(guò)熱源加熱的管道時(shí)產(chǎn)生的溫度場(chǎng)變化來(lái)測(cè)量流體質(zhì)量流量，或利用加熱流體時(shí)流體溫度上升某一值所需的能量與流體質(zhì)量之 間的關(guān)系來(lái)測(cè)量流體質(zhì)量流量的一種流量?jī)x表。過(guò)去習(xí)慣稱之為熱式流量計(jì)，工業(yè)上一般將其應(yīng)用于地面上氣體的質(zhì)量流量測(cè)量，工業(yè)上使用這種測(cè)量方法的儀表還 有熱線風(fēng)速儀、浸入型流量計(jì)等。熱式質(zhì)量流量計(jì)目前主要應(yīng)用于地面上測(cè)量氣體質(zhì)量流量或微小液相流量的測(cè)量，但應(yīng)用熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量井下液相流量測(cè)量的 研究工作還很少，也尚未在油井中的液相流量測(cè)量得到應(yīng)用。對(duì)于井下熱式質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)部溫度場(chǎng)的仿真研究更是少之又少。為此，筆者對(duì)熱式質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)溫度場(chǎng) 進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。

1 熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)

熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，測(cè)量裝置由熱源加熱器、2個(gè)溫度傳感器以及測(cè)量電路構(gòu)成。在筒狀測(cè)量管段下方沿流體流動(dòng)方向安置一個(gè) 溫度傳感器1，測(cè)量流體的背景溫度。在溫度傳感器1上方一定距離安置1個(gè)溫度傳感器2，在溫度傳感器2外部繞制電阻絲，作為恒定的熱源，溫度傳感器2測(cè)量 電阻加熱絲在不同流量下被流體冷卻的程度。

圖1 熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

按照流道和測(cè)速探頭的幾何結(jié)構(gòu)，選擇如下參數(shù)：二維圓管長(zhǎng)300mm，直徑20mm，即建立1個(gè)長(zhǎng)300mm，寬20mm的長(zhǎng)方形。在二維 圓管內(nèi)位置設(shè)有長(zhǎng)10mm，直徑4mm的加熱絲，即建立1個(gè)長(zhǎng)10mm，寬4mm的小長(zhǎng)方形位于大長(zhǎng)方形的。將測(cè)量裝置內(nèi)加熱絲周圍進(jìn)行放大仿 真，建立了1個(gè)加熱絲的二維模型（見(jiàn)圖2）。

圖2 圓管和加熱絲的二維模型

3 邊界條件設(shè)定

進(jìn)入Fluent后，通過(guò)BoundaryGonditions對(duì)話框來(lái)完成設(shè)置邊界條件工作。

首先，查油、水和加熱絲的物性參數(shù)（見(jiàn)表1）。仿真時(shí)流體區(qū)域設(shè)置材料為水或油，加熱絲固體區(qū)域設(shè)置材料為鎳鎘合金。由于Fluent材料 庫(kù)中水的物性參數(shù)已提供，可以直接使用。油和加熱絲（鎳鉻合金）需要?jiǎng)?chuàng)建。按照表1創(chuàng)建完成后選擇區(qū)域?qū)傩詴r(shí)便可輸入。其次，設(shè)置入口為速度入口。在仿真 時(shí)可以通過(guò)表2方便地查找仿真流量對(duì)應(yīng)的各種參數(shù)。然后，設(shè)置出口為壓力出口。最后，定義壁面wai－wall，即將圓管的上表面和下表面定義為墻壁。將 加熱絲nei－wall定義為具有一定功率的光滑壁面，無(wú)滑移。

表1 仿真介質(zhì)的物性參數(shù)

表2 不同流量下的截面速度、雷諾數(shù)、湍流強(qiáng)度

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 圓管內(nèi)加熱絲溫升隨流量的變化

加熱絲加熱功率分別為10、20、36W時(shí)，水平圓管內(nèi)通入不同流量的水進(jìn)行加熱。將通入水的初始溫度設(shè)定為25℃（298K）。利用 Fluent軟件計(jì)算出來(lái)的300mm長(zhǎng)、20mm寬的二維圓管內(nèi)加熱絲持續(xù)加熱時(shí)周圍流體的溫度分布圖以及加熱絲達(dá)到的最終溫度和初始溫度等信息（見(jiàn)表 3）。為了方便觀察，只截取了加熱絲附近的溫度分布情況，并對(duì)其放大。

1）加熱絲加熱功率為10W時(shí)溫升同流量變化規(guī)律

表3所示為加熱絲加熱功率為10W、流量從1～30m³/d變化時(shí)水平管內(nèi)溫度穩(wěn)定時(shí)的溫度分布圖。加熱絲的顏色越 暗，代表溫度越高，越淺代表溫度越低。Tmin代表水的初始溫度，也就是整個(gè)水平管內(nèi)的溫度；Tmax代表加熱絲所達(dá)到的溫度。從表3中加熱絲的 顏色可以清晰的看出，隨著流量的逐漸增大，加熱絲的顏色逐漸變淺，可見(jiàn)溫升值逐漸減小。流量為1m³/d時(shí)，加熱絲達(dá)到的溫度值，溫升也；流量超過(guò)20m³/d小于30m³/d時(shí)，溫升減小，說(shuō)明此時(shí)加熱絲產(chǎn)生的熱量散失；流量小于20m³/d時(shí)，有很好的流量分辨率，大于20m³/d時(shí)分辨率降低。

表3 加熱絲加熱功率為10W時(shí)的溫度的分布表

從圖3中可以看出，當(dāng)加熱絲加熱功率為10W時(shí)，加熱絲的溫升隨流量的增加而減少，并且在20m³/d以下時(shí)，溫升變化較大，有很好的流量分辨率；大于20m³/d時(shí)，溫升變化不明顯。原因在于加熱功率不高，產(chǎn)生的熱量迅速散失，流量越大，熱量散失的越快。