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基于流固耦合计算的科里奥利质量流量计计算机辅助设计

原文作者:
  刘 颖,罗 宇,杉时夫,陆经纬
发布时间:
  2014-08-13
来    源:
  上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,东京计装株式会社
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摘 要:科里奥利质量流量计(CMF)是一种海洋石油和天然气工业广泛应用的仪器。确立了一种运用有限元软件ADINA 进行CMF 流固耦合振动分析的数值模拟方法,并用直管CMF 的实验数据和分析数据相比较,验证该方法的可行性和准确性。在此基础上,提出两种弯管型CMF 模型,用文中确定的数值模拟方法对其进行结构尺寸以及检测点布置对灵敏度的影响分析。该数值模拟方法为新型CMF的计算机辅助设计指明了方向。
    科里奥利质量流量计(CMF)是利用流体流过振动管道时产生的科里奥利效应对管道两端振动相位的影响来测量流体的质量流量。该流量计计量精确,不易受温度、密度、流体流态的影响。由于以上诸多优点,它被广泛应用于海洋石油和天然气工业等各个领域,具有良好的发展前景。
    国内外许多学者运用解析法及数值分析法对CMF 做过大量的研究。英国的G. Sultan 和J. Hemp[1]运用振动梁理论建立了测量管的欧拉伯努利梁(Euler-Bernoulli beam)模型,推导了U 型CMF 的振动微分方程,并给出方程的无量纲解形式,由此进行数值计算。研究结果表明流速在一定范围内,相位差与流速成线性关系,而当流速超过一定值后,该线性关系将不再成立。
    南斯拉夫的工艺测量实验室G. Bobovonk 和 N.Mole 等人[2,3]对CMF 流固耦合有限元分析做了详细的研究。他们应用Star-CD 和ABAQUS 软件分别模拟流场以及结构场来实现CMF 的耦合振动分析,并将两种解析模型(欧拉梁——一维流体模型以及薄壁壳单元——势流体模型)与数值耦合模型作比较,讨论了长径比L/D 对固有频率及相位差的影响。河海大学的纪爱敏[4]运用拉格朗日方程导出了载流测量管单元的质量、刚度及科里奥利矩阵,利用ANSYS 软件提供的用户接口单元Matrix27 将所定义单元输入到ANSYS 中,实现了CMF 的有限元建模与求解。文中还以U 型CMF 为例,对影响流量计灵敏度的因素进行了分析。
    然而,直接将流固耦合有限元分析应用于实际CMF 的计算机辅助设计中的研究报道并不多见。本文确立了一种运用有限元方法进行科里奥利质量流量计流固耦合振动分析的数值模拟方法。为了验证该方法的正确性,以参考文献[3]的直管型CMF 为例,用流固耦合振动有限元分析计算得到相位差与流速的关系,并与实测结果相比较,发现分析结果和实测结果有很好的一致性。
    在此基础上,以文中提出的两种弯管型CMF 模型为对象,用文中确定的流固耦合计算方法进行全面的分析,探讨结构尺寸以及检测点布置对灵敏度的影响。同时比较两种模型的灵敏度、检测点振幅等性能参数,为确定优化的新型CMF 结构提供理论支持。
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