基于计算流体力学的大数据流量计开发方法技术

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。

Development method of large data flowmeter based on computational fluid dynamics

A new development method of large data flowmeter based on computational fluid dynamics (CFD) is used to solve the problem that the development cycle of the traditional flowmeter development method is long, the cost is high, the reliability and stability of the flowmeter is poor, and the precision of measurement is affected and the effect is poor. This method is based on computational fluid dynamics. Through numerical simulation analysis of fluid mechanics characteristics of different types of flowmeters, the performance law of the flowmeter is obtained. The optimum flowmeter is selected to design and process the flowmeter, and then the actual flow calibration is modified to get the industrial flowmeter with stable performance. This method can not only shorten the development cycle of the flowmeter, but also save the cost of the real flow calibration process, expand the design range of the flowmeter, ensure the reliability and stability of the flowmeter to a greater degree, and reduce the development cost of the flowmeter.

【技术实现步骤摘要】
基于计算流体力学的大数据流量计开发方法
本专利技术属于仪器仪表
，具体涉及一种可缩短开发周期，设计范围广，开发成本低，流量计可靠性强、稳定性好的基于计算流体力学的大数据流量计开发方法。
技术介绍
目前，工业用差压式流量计的开发流程一般为：先进行流量计型式的设计，然后根据设计结果进行加工；然后，在实际的气体标定装置或者液体标定装置上进行试用和数据采集。之后，将标定的数据反馈给设计人员；对产品进行优化改进后重新加工，再次进行实流标定。重复优化改进、加工和实流标定等步骤，直到产品的性能比较稳定，可重复性和计量误差均满足工业现场使用要求为止。这种传统的流量计开发方法的开发周期长，需要配合实流标定装置去检验流量计性能的好坏，耗费的成本高，在人力、物力和财力上的投入巨大；而且，所设计流量计的可靠性和稳定性差，影响计量的精准程度，使用效果差。故有必要对现有的流量计开发方法予以改进。
技术实现思路
本专利技术就是针对上述问题，提供一种可缩短开发周期，设计范围广，开发成本低，流量计可靠性强、稳定性好的基于计算流体力学的大数据流量计开发方法。本专利技术所采用的技术方案是：该基于计算流体力学的大数据流量计开发方法包括如下步骤：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。所述步骤二，在建立模型时，需要先假定直管段长度充足，直管段长度一般需要在管径的10倍以上，管壁的粗糙度在整个长度方向上要保持一致，且管内流场充分发展；建立模型过程中，由于管道和流量计是最终进行装配而成的，在单个管道和单个流量计的建模中需要明确各自对应的草绘平面和参考平面，以便于后续的有效装配；建模的时候涉及到的流动管道必须是实心结构，不能是空心结构。所述步骤三，在开发流量计的过程中，一般选择工业现场用边界条件时，默认现场是稳定工作的，也就是采用稳态计算过程；只有在针对具体某个工业现场时，才会采用瞬态计算。所述步骤八，在对设计方案群进行回归的分析过程中，可通过不同结构、不同工况下差压数据的获取，来找到仪表系数的规律；而实际中流量计的差压是通过变送器读取的；因此，可以采用变送器读取的差压与回归的仪表系数相互配合的方式，得到流量计的流量数据。所述步骤九，在初定型的实标优化过程中，流量计的永久压力损失计算公式如下：ΔW1＝f8(β,ΔP1,K,Re)式中：ΔW1—实流标定时差压式流量计产生的永久压力损失，Pa在上述优化过程中，主要的区别均源于管壁粗糙度的局部变化对流场的微小影响，进而扩展到差压的影响，最终影响了流量计产生的永久压力损失。本专利技术的有益效果：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。进而替代传统流量计开发环节中，通过实流标定寻找流量计性能规律的环节，不但能够大大缩短流量计的开发周期，还可以大量节约实流标定过程所需的费用。尤其是对于应用于复杂工业现场的流量计的设计，可以不用考虑实流标定中涉及到的直管段不足、管道内部有支撑架或障碍物等问题，扩大了流量计的设计范围，更大程度上保证了流量计的可靠性和稳定性，显著降低了流量计的开发成本。附图说明图1是本专利技术开发方法的设计流程框图。图2是本专利技术同一等效直径比下的设计方案A的结构示意图。图3是本专利技术同一等效直径比下的设计方案B的结构示意图。图4是设计方案A的速度云图。图5是设计方案A的速度矢量图。图6是设计方案B的速度云图。图7是设计方案B的速度矢量图。图8～图13分别是本专利技术不同设计方案(1～6号设计方案)的结构示意图。图14～图20分别是本专利技术调整等效直径比后的不同设计方案(设计方案Ⅰ～Ⅶ)的结构示意图。具体实施方式详细说明本专利技术的具体步骤。该基于计算流体力学的大数据流量计开发方法包括：步骤一、本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：高玉娟，
申请(专利权)人：南京罕华流体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32