Аннотации:
В работе приводятся результаты численного и экспериментального исследования, которое направлено на повышение точности неинтрузивных измерений температуры жидкой среды в трубопроводах, являющихся обязательными элементами гидросистем машин и механизмов. Решается вспомогательная задача оценки скорости потока жидкости путем измерения интенсивности шума на поверхности трубопровода. Источником шума в трубопроводе являются флуктуации скорости жидкости в турбулентном потоке, которые мы воспринимаем в виде флуктуаций давления и звука, при этом для больших скоростей потока распределение средней скорости в поперечном сечении трубы достаточно равномерно и имеет логарифмический характер, а общая температура потока близка к температуре в центре трубы. Однако при малых и умеренных скоростях потока распределение температур неравномерно и составляющая от неравномерности может давать существенный вклад в общую погрешность измерений, особенно при измерениях с помощью сравнительно точных термометров сопротивления. Поэтому, для повышения точности неинтрузивных измерений температуры необходимо вводить поправку, являющуюся функцией средней скорости потока и способную компенсировать погрешность измерений от недостаточной степени однородности потока.
В работе проведен обоснованный выбор среды численного моделирования, подходящей для требований данной задачи, и рассчитана величина плотности энергии турбулентности в трубопроводе с двумя коленами (термокомпенсаторами), а также порождающей ее диссипацией энергии турбулентности, представлены распределения энергии турбулентности в поперечном сечении потока в районе одного из колен. Это исследование позволяет сказать, что максимальные величины плотности энергии турбулентности возникают на боковых стенках колен в пограничном слое потока, а зависимость энергии от скорости описывается полиномом третьей степени, что согласуется с результатами других авторов. Кроме того, введение логарифмической шкалы для зависимости энергии турбулентности от скорости позволяет линеаризовать эту зависимость и построить тем самым линейную шкалу измерений для диапазона умеренных и больших чисел Рейнольдса.
Экспериментальное исследование проведено на проливном стенде в диапазоне расходов до 0,1 кг/с на трубопроводе ДУ50 и температурах 20 и 80 °С, при этом в качестве датчика акустического сигнала использованы пьезопленочные датчики, обладающие равномерной полосой пропускания от единиц герц до мегагерцовых частот. Определены спектральные характеристики сигналов на поверхности трубопровода и, в частности, выявлено, что для поверхностного шума, как и для шума в центре трубопровода, свойственно наличие трех характерных зон спектра, причем первая зона (энергонесущая) является информационной и должна являться объектом измерений. Ширина этой зоны пропорциональна скорости потока и может определяться методами частотного детектирования. Для определения интенсивности энергии шумового сигнала в энергонесущей полосе частот спектра можно использовать квадратичный амплитудный детектор. The article presents the results of numerical and experimental studies, which are aimed at improving the accuracy of non-intrusive measurements of the temperature of a liquid flow in pipelines, which are elements of hydraulic systems of machines and mechanisms. The auxiliary problem of estimating the fluid flow rate by measuring the intensity of noise on the surface of the pipeline is being solved. The noise source in the pipeline is the fluid velocity fluctuations in the turbulent flow, which we perceive as pressure and sound fluctuations, while for high flow velocities the distribution of the average velocity in the pipe cross section is quite uniform and has a logarithmic character, and the total flow temperature is close to the center of the pipe. However, at low and moderate flow rates, the temperature distribution is uneven and the error from the un-evenness can make a significant contribution to the overall measurement error, especially with measurement using relatively accurate resistance thermometers. Therefore, it is necessary to introduce a correction function of the average flow rate and compensate the measurement error due to not-enough flow uniformity, to increase the accuracy of non-intrusive temperature measurements.
A reasonable choice is made of a numerical simulation environment suitable for the requirements of this problem: the turbulence energy density in a pipeline with two bends (temperature compensator), the turbulence energy dissipation, the distribution of turbulence energy in the flow cross section at one of the bends were calculated. This allows us to say that the maximum values of the energy density of turbulence arise on the side walls of the pipeline bend in the boundary layer of the flow, and the dependence of energy on speed is described by a polynomial of the third degree, that is consistent with the results of other authors. In addition, the insertion of a logarithmic scale for the dependence of turbulence energy on speed allows to linearize this depen dence and, thus, construct a linear measurement function for the moderate and large Reynolds numbers range.
An experimental study was conducted on a flowstand in a flow range of up to 0.1 kg/s with DN50 pipeline and temperatures of 20 and 80 °С. The spectral characteristics of the signals on the pipeline surface were determined. Was revealed that for surface noise, as well as for noise in the center of the pipeline, there are three characteristic spectral zones are characteristic, and the first zone (energy-bearing) is informational and should be the object of measurements. The width of this zone is proportional to the flow rate and can be determined by frequency detection methods. A quadratic amplitude detector can be used to determine the energy intensity of the noise signal in the energy-carrying band of the spectrum.
Описание:
Некрасов Сергей Геннадьевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, nekrasovsg@susu.ac.ru.
Фомченко Сергей Андреевич, аспирант кафедры «Информационно-измерительная техника», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, sergey_fomchenko@mail.ru.
S.G. Nekrasov, nekrasovsg@susu.ac.ru,
S.A. Fomchenko, sergey_fomchenko@mail.ru
South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation