Идентификация гироскопических сил в колебательной системе расходомера кориолиса
Автор: Романов В.А., Бескачко В.П.
Статья в выпуске: 3, 2021 года.
Бесплатный доступ
Разность фаз колебаний симметричных половин трубки расходомера Кориолиса является основным регистрируемым параметром при количественной оценке расхода протекающей по трубке жидкости. При этом предполагается, во-первых, что режим колебаний стационарный и, во-вторых, что количественно известна связь между измеряемой разностью фаз и оцениваемой величиной расхода. При обмере однородных, однофазных потоков эти условия выполняются с достаточной точностью и нарушаются в той или иной степени, если поток многофазный, неоднородный. В последнем случае необходима коррекция результатов измерений, которая в настоящее время осуществляется эмпирическим путем. Совершенствование метода кориолисовой расходометрии требует более детальной информации о механизмах взаимодействия поток-трубка, которую трудно и дорого добывать в натурных экспериментах, но возможно быстрее, эффективнее и более подробно извлечь из численных экспериментов над виртуальным прототипом расходомера. Одной из принципиальных задач виртуального прототипирования расходомера Кориолиса является разделение вклада в наблюдаемую на опыте величину - фазовый сдвиг, и вкладов от гироскопических и диссипативных сил. Решение этой задачи усугубляется существенно неравномерным распределением гироскопических сил по длине трубки и неопределенностью модели присутствующих в колебательной системе диссипативных сил. В настоящей работе гироскопические силы выделены с помощью конечно-элементного 3D-моделирования установившегося режима колебаний трубки, несущей идеальную, невязкую жидкость. Показано, что величина регистрируемого расходомером фазового сдвига зависит как от особенностей распределения гироскопических сил, так и от обусловленной течением жидкости упругой связанности собственных колебаний упругой трубки. Исследовано влияние формы трубки на наблюдаемый на опыте фазовый сдвиг. Для рассмотренных в работе форм трубок отличие фазового сдвига для перемещений сечений установки регистрирующих катушек достигает почти 5 раз. От формы трубки зависят параметры как гироскопической, так и упругой связи, причем изменение формы трубки может увеличивать гироскопическую связь и уменьшать упругую, и наоборот. Обсуждается создание упрощенной дискретной модели расходомера, основанное на результатах 3D конечно-элементных расчетов. Выполнены количественные оценки интегральных параметров колебательной системы расходомера, позволяющие сравнивать как величину возникающих при течении жидкости гироскопических сил, так и степень соответствия формы трубки специфическим требованиям к колебательной системе расходомера Кориолиса.
Расходомер кориолиса, поток флюида, стационарные колебания, гироскопические силы, fsi-расчет
Короткий адрес: https://sciup.org/146282358
IDR: 146282358 | УДК: 534.12, | DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.12
Identification of gyroscopic forces in the oscillatory system of a coriolis flowmeter
The phase difference between the oscillations of the Coriolis flowmeter (CFM) arms is the main experimentally observed parameter during measurements of liquid flow rates in pipelines. Usually, steady-state oscillations and known dependences between the flow rate and the measured phase shift are assumed. However, these conditions are met with a sufficient accuracy only for homogeneous and single-phase flows. For inhomogeneous and multiphase flows, the correction of measurements is necessary. This correction in most cases is empirical. However, to improve the methodology of Coriolis flowmeter measurements, more detailed information about flow-tube interactions is needed. The experimental obtaining of such data is expensive and laborious. On the other hand, this data can be acquired during numerical experiments on the CFM virtual prototype. However, to effectively simulate liquid flows, it is necessary to separate the contribution of gyroscopic and dissipative forces to the experimentally observed signal (phase shift). This problem is complicated by the fact that gyroscopic forces are not uniformly distributed along the length of the tube, and the model for dissipative forces is not sufficiently developed yet. In this work, gyroscopic forces were separated by the 3D finite element modeling of steady-state oscillations of a tube with the ideal (inviscid) liquid. We discussed the usage of the simulation results in a simplified discrete model. It is shown that the magnitude of the phase shift recorded by the flowmeter depends both on the features of the distribution of gyroscopic forces and on the elastic coupling of the natural vibrations of the elastic tube caused by the fluid flow. The influence of the tube shape on the experimentally observed phase shift was investigated. For the tube shapes considered in the work, the difference in the phase shift for the displacements of the sections of the installation of the recording coils reaches nearly 5 times. The parameters of both gyroscopic and elastic coupling depend on the shape of the tube, and a change in the shape of the tube can increase the gyroscopic coupling and decrease the elastic one, and vice versa. The creation of a simplified discrete model of the flowmeter based on the results of the 3D finite element calculations is discussed. The quantitative estimates of the integral parameters of the oscillatory system of the CFM are carried out, allowing one to compare both the magnitude of the gyroscopic forces arising during the flow of the liquid and the degree of conformity of the tube shape to the special requirements for the oscillatory system of the CFM.
Список литературы Идентификация гироскопических сил в колебательной системе расходомера кориолиса
- Dudley B. BP Statistical Review of World Energy Statistical Review of World, 2019. https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2019-full-report.pdf).
- Multiphase flow metrology in oil and gas production / S. Knotek [et al.] // EURAMET Project ENG58. Final Publishable JPR Report, 2017.
- Falcone G. Multiphase flow modelling based on experimental testing: A comprehensive overview of research facilities worldwide and the need for future developments // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Anaheim, 2007. - P. 1-10.
- Falcone G., Harrison B. Forecast expects continued multiphase flowmeter growth // Oil and Gas Journal. - 2011. - Vol. 109, no. 10. - P. 68-73.
- Baker R.C. Coriolis flowmeters: industrial practice and published information // Flow Measurement and Instrumentation. - 1994. - Vol. 5, no. 4. - P. 229-246.
- Wang T., Baker R. Coriolis flowmeters: a review of developments over the past 20 years, and an assessment of the state of the art and likely future directions // Flow Measurement and Instrumentation. - 2014. - Vol. 40. - P. 99-123.
- Binulal B. R., Kochupillai J. Coriolis Flow meter: A Review from 1989 to 2014 // International Journal of Scientific & Engineering Research. - 2014. - Vol. 5, no. 7. - P. 718-723.
- Anklin M., Drahm W., Rieder A. Coriolis mass flowmeters: Overview of the current state of the art and latest research // Flow Measurement and Instrumentation. - 2006. - Vol. 17, no. 6. - P. 317-323.
- Kolhe V.A., Edlabadkar R.L. An overview of Coriolis mass flowmeter as a direct mass flow measurement device // Int. J. on Emerging Trends in Technology. - 2016. - Vol. 3, iss. 2. - P. 2112-2119.
- Modeling a Coriolis mass flow meter for shape optimization / W. Hakvoort [et al.] // Proceedings of the 1st Joint International Conference on Multibody System Dynamics. - Lappeenranta, 2010. - P. 1-10.
- Kutin J., Bajsić I. An analytical estimation of the Coriolis meter's characteristics based on modal superposition // Flow Measurement and Instrumentation. - 2002. - Vol. 12, iss. 5. - P. 345-351.
- Sultan G., Hemp J. Modelling of the Coriolis mass flowmeter // Journal of Sound and Vibration. - 1989. - Vol. 132, iss. 3. - P. 473-489.
- Effect of detector masses on calibration of Coriolis flowmeters / U. Lange [et al.] // Flow Measurement and Instrumentation. - 1994. - Vol. 5, iss. 4. - P. 255-262.
- Raszillier H., Alleborn N., Durst F. Effect of a concentrated mass on Coriolis flow metering // Archive of Applied Mechanics. - 1994. - Vol. 64, iss. 6. - P. 373-382.
- Жермоленко В.Н., Лопаницын Е.А. Анализ влияния центробежных и кориолисовых сил на поперечные колебания трубопровода // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2011. - № 4(5). - C. 2157-2159.
- Wang T., Baker R.C. An advanced numerical model for single straight tube Coriolis flowmeters // Journal of Fluids Engineering. - 2006. - Vol. 128, iss. 6. - P. 1346-1350.
- Ruoff J., Hodapp M., Kück H. Finite element modelling of Coriolis mass flowmeters with arbitrary pipe geometry and unsteady flow conditions // Flow Measurement and Instrumentation. - 2014. - Vol. 37. - P. 119-126.
- Belhadj A., Cheesewright R., Clark C. The simulation of Coriolis meter response to pulsating flow using a general purpose f.e. code // Journal of Fluids and Structures. - 2000. - Vol. 14, iss. 5. - P. 613-634.
- Stack C., Garnett G., Pawlas G. A finite element for the vibration analysis of a fluid-conveying Timoshenko beam, 34th Structures // Structural Dynamics and Materials Conference. - La Jolla, 1993. - P. 2120-2129.
- Миронов М.А., Пятаков П.А., Андреев А.А. Вынужденные изгибные колебания трубы с потоком жидкости // Акустический журнал. - 2010. - Т. 56, № 5. - С. 684-692.
- Смыслов В.И. О некоторых понятиях теории колебаний неконсервативных систем с несимметричными связями // Изв. вузов «ПНД». - 2005. - Т. 13, № 5-6. - С. 143-150.
- Микишев Г.Н., Рабинович Б.И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. - М.: Машиностроение, 1971. - 564 с.
- Basse N. Coriolis flowmeter damping for two-phase flow due to decoupling // Flow Measurement and Instrumentation. - 2016. - Vol. 52. - P. 40-52.
- Two-phase damping for internal flow: physical mechanism and effect of excitation parameters / C. Charreton [et al.] // Journal of Fluids and Structures. - 2015. - No. 56. - P. 56-74.
- Романов В.А., Тараненко П.А. Оценка диссипативных свойств колебательной системы серийного образца расходомера Кориолиса // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2020. - № 2. - C. 134-144. doi: 10.15593/perm.mech/2020.2.11
- Coupled finite-volume/finite-element modelling of the straight-tube Coriolis flowmeter / G. Bobovnik [et al.] // Journal of Fluids and Structures. - 2005. - Vol. 20, iss. 6. - P. 785-800.
- An improved three-dimensional coupled fluid-structure model for Coriolis flowmeters / N. Mole [et al.] // Journal of Fluids and Structures. - 2008. - Vol. 24, iss. 4. - P. 559-575.
- Kumar V., Anklin M., Schwenter B. Fluid-structure interaction (FSI) simulations on the sensitivity of Coriolis flow meter under low Reynolds number flows // 15th Flow Measurement Conference (FLOMEKO 2010). - Taipei, 2010. - P. 1-10.
- Kumar V., Anklin M. Numerical simulations of Coriolis flow meters for low Reynolds number flows // Mapan - Journal of Metrology Society of India. - 2011. - Vol. 26, no. 3. - P. 225-235.
- Luo R., Wu J., Wan S. Numerical study on the effect of low Reynolds number flows in straight tube Coriolis flowmeters // XX IMEKO World Congress Metrology for Green Growth. - Busan, 2012. - P. 1-4.
- Luo R., Wu J. Fluid-structure coupling analysis and simulation of viscosity effect on Coriolis mass flowmeter // 5th Asia Pacific Congress on Computational Mechanics & 4th International Symposium On Computational Mechanics. - Singapore, 2013. - P. 1-8.
- Huber C., Nuber M., Anklin M. Effect of Reynolds number in Coriolis flow measurement // European Flow Measurement Workshop. - Lisbon, 2014. - P. 1-9.
- Romanov V.A., Beskachko V.P. Virtual prototyping experience of the Coriolis flow meter // Lecture Notes in Mechanical Engineering. - 2019. - P. 411-420.
- Romanov V.A., Beskachko V.P. The simulation of Coriolis flow meter tube movements excited by fluid flow and exterior harmonic force // Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing XI. - Glasgow, 2017. - P. 294-306.
- Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. - СПб.: Лань, 2005. - 440 с.
