热式质量流量计是利用流体流过热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量,或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量的一种流量仪表。过去习惯称之为热式流量计,工业上一般将其应用于地面上气体的质量流量测量,工业上使用这种测量方法的仪表还有热线风速仪、浸入型流量计等。热式质量流量计目前主要应用于地面上测量。气体质量流量或微小液相流量的测量,但应用热式质量流量计测量井下液相流量测量的研究工作还很少,也尚未在油井中的液相流量测量得到应用。对于井下热式质量流量计内部温度场的仿真研究更是少之又少。为此,对热式质量流量计内温度场进行了数值仿真研究。
1.热式质量流量计结构
热式质量流量计结构示意图如图1所示,测量装置由热源加热器、2个温度传感器以及测量电路构成。在筒状测量管段下方沿流体流动方向安置一个温度传感器1,测量流体的背景温度。在温度传感器1上方一定距离安置1个温度传感器2,在温度传感器2外部绕制电阻丝,作为恒定的热源,温度传感器2测量电阻加热丝在不同流量下被流体冷却的程度。
2.数学模型
按照流道和测速探头的几何结构,选择如下参数:二维圆管长300mm,直径20mm,即建立1个长300mm,宽20mm的长方形。在二维圆管内中央位置设有长10mm,直径4mm的加热丝,即建立1个长10m,宽4mm的小长方形位于大长方形的中央。将测量装置内加热丝周围进行放大仿真,建立了1个加热丝的二维模型(见图2)。
3.边界条件设定
进人 Fluent后,通过 BoundaryConditions)对话框来完成设置边界条件工作。首先,查油、水和加热丝的物性参数(见表1)。
仿真时流体区域设置材料为水或油,加热丝固体区域设置材料为镍镉合金。由于 Fluent材料库中水的物性参数已提供,可以直接使用。油和加热丝(镍铬合金)需要创建。按照表1创建完成后选择区域属性时便可输入。其次,设置入口为速度入口。在仿真时可以通过表2方便地查找仿真流量对应的各种参数。然后,设置出口为压力出口。ZUI后,定义壁面wai-wall即将圆管的上表面和下表面定义为墙壁。将加热丝 nei-wall s定义为具有一定功率的光滑壁面,无滑移。
4.1圆管内加热丝温升随流量的变化
加热丝加热功率分别为10、20、36W时,水平圆管内通人不同流量的水进行加热。将通入水的初始温度设定为25℃(298K)。利用 Fluent软件计算出来的300mm长、20mm宽的二维圆管内加热丝持续加热时周围流体的温度分布图以及加热丝达到的ZUI终温度和初始温度等信息(见表3)。
为了方便观察,只截取了加热丝附近的温度分布情况,并对其放大。
1)加热丝加热功率为10W时温升同流量变化规律表3所示为加热丝加热功率为10W、流量从1~30m2/d变化时水平管内温度稳定时的温度分布图。加热丝的颜色越暗,代表温度越高,越浅代表温度越低。Tm代表水的初始温度,也就是整个水平管内的ZUI低温度;Tm、代表加热丝所达到的ZUI高温度。从表3中加热丝的颜色可以清晰的看出,随着流量的逐渐增大,加热丝的颜色逐渐变浅,可见温升值逐渐减小。流量为1m3/d时,加热丝达到的温度ZUI大值,温升也ZUI大;流量超过20m3/d小于30m/d时,温升减小,说明此时加热丝产生的热量散失;流量小于20m3/d时,有很好的流量分辮率,大于20m3/d时分辨率降低。
从图3中可以看出,当加热丝加热功率为10W时,加热丝的温升随流量的增加而减少,并且在20m/d以下时,温升变化较大,有很好的流量分辦率;大于20m/d时,温升变化不明显。原因在于加热功率不高,产生的热量迅速散失,流量越大,热量散失的越快。
2)加热丝加热功率为20W时温升同流量变化规律表4所示为加热丝加热功率为20W,流量从1~30m3/d变化时水平管内温度达到稳定时的温度分布图。从表4中加热丝的颜色可以清晰的看出,随着流量的逐渐增大,加热丝周围的温度逐渐减少,其颜色逐渐变浅,从数值上看同一流量下温升值比加热功率为10W时的温升值偏大。从图3中可以看出,加热丝的温升仍随流量的增加而减少,并且在20m3/d以下时,温升变化相对较大,加热丝散失的热量较慢;大于20m3/d时,加热丝产生的热量散失的速度较快,温升变化相对较小。同加热功率为10W时对比,趋势虽然相近,但数值明显偏大。
3)加热丝加热功率为36W时温升同流量变化规律表5所示为加热丝加热功率为36W,流量从~30m/d变化时水平管内水温度稳定时的温度分布图。由表5可知,随着流量的逐渐增大,加热丝的颜色逐渐变浅,可见温升值逐渐降低。从数值上看温升值比加热功率为10W、20W时都大,存在很好的流量分辨率。
从图3中可以看出,在加热功率为36W时,加热丝的温升随流量的增加而逐渐减少,在20m3/d以下时,温升变化较大,大于20m3/d时,温升虽然变化不明显,但比10W、20W时温升值大很多。
4)比较分析从图3可以看出,各曲线的趋势均随着流量增大,温升逐渐减少。但减少的程度不同,加热功率越大,温升变化的越大,分辦率越好。当流量大于20m/d时曲线趋于平缓,此时流量分辨率降低。而流量小于20m3/d时曲线变化明显,有很好的流量分辦率。加热功率越大,分辦率越好。
4.2圆管内加热丝温升随时间的变化在 Fluent中设置输入流体的物性参数为水,当加热丝加热5、10、20、40、60、80、90s时对温升进行监测,得到不同流量下温升随时间的变化规律曲线图(见图4)。
由图4中可以看出,当加热功率为36W时,不同流量、不同时刻的温升大小不同,但温度上升趋势雷同。加热时间40s内,温升上升的较快,大于40s时温升上升的较慢,在60s之后温升基本处于稳定状态,但也有微小的变化。从1m3/d流量点可以明显的看出,1~10s时间段,温升变化ZUI大,随后温升变化量越来越小。通过对圆管内加热丝加热时间进行仿真研究,确定加热丝的加热时间定为80s。因为功率一定加热时长超过80s时温升基本不变,即当加热丝的加热时间为80s时,测温传感器测得加热丝的温度基本不变。
5.结论
热式质量流量计内温度的分布情况是非常复杂的,通过对热式质量流量计内部加热丝附近的温度和加热丝的温度随时间变化规律进行了仿真研究,通过仿真结果综合分析可得出如下几点结论：
1)加热丝的加热功率恒定时,加热丝周围流体的温度随着流量增大而减少。液相流量小于20m3/d时曲线变化明显,存在很好的分辦率;大于20m/d时,分辨率相对较低,可通过提高加热功率来提高分辨率。
2)从加热丝的温度随加热时间变化的仿真结果可知,在80s后温度基本达到稳定。该仿真结果可指导多相流实验装置上的动态试验
3)热式质量流量计可应用于井下液相流量测量。
热式质量流量计产品图