25624

مطالعه تجربي و شبيه‌سازي CFD تاثير حضور ذرات در اندازه‌گيري دبي جريان‌هاي دوفازي گاز-ذره

دكتري

مهندسي شيمي

1391

1400/04/09

دكتر منصور شيرواني، دكتر سيد حسن هاشم آبادي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

جريان‌سنج‌هاي گردابه‌اي يكي از رايج‌ترين جريان‌سنج‌هاي مورد استفاده در صنعت هستند. اساس كار اين جريان‌سنج‌ها، اندازه‌گيري فركانس گردابه‌هاي ايجاد شده در پشت بدنه مانع است. حضور ناخواسته ذرات در جريان گازي به واسطه تغييري كه در مشخصه‌هاي جريان به خصوص مشخصه‌هاي گردابه‌ها ايجاد مي‌كنند، مي‌تواند سبب ايجاد خطا در اندازه‌گيري با جريان‌سنج گردابه‌اي گردد. در اين تحقيق به دو موضوع مهم در جريان‌هاي رقيق دوفازي گاز-ذره در هنگام عبور از يك جريان‌سنج گردابه‌اي پرداخته مي‌شود. اول اينكه آيا حضور ذرات جامد در جريان گازي سبب تغيير مشخصه‌هاي گردابه‌هاي توليدي در پشت بدنه مانع مي‌شود و دوم اينكه آيا مي‌توان دبي جرمي ذرات در جريان رقيق دوفازي گاز-ذره را با استفاده از يك جريان‌سنج گردابه‌اي اندازه‌گيري نمود. از ديدگاه اولرين-اولرين براي شبيه‌سازي جريان دوفازي گاز-ذره درون يك جريان‌سنج گردابه‌اي استفاده شده است. در روش تجربي يك سامانه آزمايشگاهي ساخته شده است كه در آن يك مانع مثلثي به طور عمود بر جهت جريان و در مركز لوله نصب شده است. با استفاده از يك حسگر فشار، نوسانات فشار در پشت بدنه مانع و متوسط افت فشار در دو طرف مانع اندازه‌گيري مي‌شود. مقايسه نتايج شبيه‌سازي و داده‌هاي تجربي نشان داد كه حداكثر خطاي اندازه‌گيري فركانس گردابه در جريان‌هاي دوفازي گاز-ذره 7 % مي‌باشد. بنابراين نتايج شبيه‌سازي و آزمايشگاهي مويد يكديگر هستند. نتايج آزمايش‌ها نشان دادند كه كسر حجمي و عدد استوكس ذرات مهمترين پارامترهاي اثرگذار روي عملكرد جريان‌سنج گردابه‌اي هستند. ميكروذرات با توجه به اينكه از گردابه اوليه خود خارج نمي‌شوند، فركانس گردابه را تغيير نمي‌دهند، در حاليكه ذرات درشت مي‌توانند تا 20% اين فركانس را كاهش دهند. ذرات با اعداد استوكس نزديك به يك بيشترين تغيير در فركانس گردابه را ايجاد مي‌كنند، به طوريكه بسته به ميزان كسر حجمي ذرات، فركانس نوسانات در حضور ذرات تا 70% نسبت به جريان تك‌فازي گازي تغيير مي‌نمايد. نتايج نشان داده‌اند كه با اندازه‌گيري متوسط افت فشار در دو طرف بدنه مانع و فركانس گردابه‌ها مي‌توان ميزان بارگذاري جرمي در جريان رقيق دوفازي گاز-ذره را با حداكثر خطاي 5 % اندازه‌گيري نمود. لازم است در كنار جريان‌سنج گردابه‌اي يك سرعت‌سنج نيز نصب گردد تا ابتدا سرعت سيال اندازه‌گيري شود و بر اساس سرعت اندازه‌گيري شده، نسبت افت فشار به فركانس در جريان مرجع بدست آيد. سپس با استفاده از خروجي جريان‌سنج گردابه‌اي (متوسط افت فشار و فركانس گردابه)، ميزان بارگذاري جرمي محاسبه گردد.

1400/09/14

Experimental Study and CFD Simulation of the Particle Influence on the Gas-Solid Two-Phase flow Measurement

6/30/2022 12:00:00 AM

One of the most common flowmeters applicable in the industry is the vortex flowmeter. The underlying of these flowmeters is to measure the frequency of the vortices created behind the bluff body. The unwanted presence of particles in the gas flow can contribute to errors in measuring the flowmeter by changing the flow characteristics, particularly the characteristics of the vortices. In this study, two vital factors in a dilute gas-solid two-phase flow are being scrutinized. Firstly, will the presence of particles in a gas flow conduct changes in characteristics of the vortices behind the bluff body? Secondly, the feasibility of measuring the mass flow rate of particles using the vortex flowmeter. The Eulerian-Eulerian approach was used to simulate the gas-solid two-phase flow within a vortex flowmeter. Underlying the experimental method, a laboratory system was fabricated in a way that a triangular vortex shedder was placed perpendicular to the flow direction. Using a pressure sensor, the pressure fluctuations behind the bluff body and the average pressure drop on both sides of the vortex shedder are measured. A comparison of simulation results with experimental data reveals that the maximum error for gas-solid two-phase flow is up to 7%. Therefore, this shows that both simulation and experimental results confirm each other. The Stokes No. and the volume fraction of the particles are the most important parameters influencing the performance of the vortex flowmeters. Microparticles have no change related to the frequency of the vortex shedding since they do not come out of their initial vortex. While the coarse particles can reduce this frequency by 20%. The particle with Stokes No. close to 1 gives the most change in the vortex shedding frequency so that depending on the volume fraction of the particles, the frequency of fluctuations in the presence of particles changes up to 70% compared to the single-phase gas flow. Experimental results have also shown that by measuring the average pressure drop on both sides of the bluff body and the frequency of the vortices, the mass loading of the dilute gas-solid two-phase flow can be measured with a maximum margin of error of 5%. Installing a velocity meter to measure the fluid velocity is crucial. the pressure drop to vortex frequency ratio in the reference flow will be obtained based on the results of measured velocity. Moreover, mass loading will be calculated through vortex flowmeter average pressure drop and vortex frequency measurements.

جريان‌سنج گردابه‌اي , حسگر فشار , جريان رقيق دوفازي گاز-ذره , فركانس گردابه , بارگذاري جرمي ذرات

Vortex flowmeter , pressure sensor , dilute gas-solid two-pahse flow , vortex frequency , solid mass loading