Mathematical model and numerical simulation of a mechanical oscillator flowmeter

• Autorzy: Turkowski M.

Warianty tytułu

PL

Model matematyczny i symulacja numeryczna przepływomierza z oscylatorem mechanicznym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Attempts to optimize the mechanical oscillator flowmeter were so far based on mathematical models that did not take into account the oscillator movement and many other important factors were omitted. It had been assumed that further improvements are possible using a numerical simulation based on a more developed model including such additional factors as damping, the energy supporting stable oscillation, the inertia of the fluid adhering to the oscillator and so on. The results of numerical simulation have been compared with the results of experimental research that have been performed using a 2-inch flowmeter. Proposals of further optimisation with the use of computational fluid dynamics have been discussed.

PL

W trakcie dotychczasowych prób opisu matematycznego i optymalizacji przepływomierza z oscylatorem mechanicznym pomijano szereg istotnych czynników wpływających na jego właściwości. Przyjmowano między innymi, że amplituda wahań oscylatora jest pomijalnie mała w stosunku do jego wymiarów, podczas gdy w rzeczywistości ma ona znaczną wartość. Pomijano też prędkość ruchu oscylatora podczas analizy działających na niego sił czynnych. Analizując przyczyny stabilnych wahań oscylatora występujących pomimo tłumiącego działania płynu i tarcia w łożyskach ograniczano się do wprowadzenia pewnego formalnego członu do równania ruchu oscylatora, tak, aby uzyskać rozwiązanie opisujące charakterystyczne samowzbudne drgania. W niniejszej pracy przedstawiono model matematyczny przepływomierza uwzględniający wszystkie powyższe czynniki, a także dodatkowo uwzględniający siły tłumiące oraz źródła energii podtrzymującej stabilne wahania oscylatora pomimo sił tłumiących. Wyprowadzone równanie ruchu dla oscylatora przepływomierza rozwiązywano następnie numerycznie. Przytoczono wybrane wyniki obliczeń. Uzyskane wyniki są w dużym stopniu zgodne z obserwacjami doświadczalnymi i dobrze odzwierciedlają zachowanie przepływomierza jako obiektu działającego w tzw. cyklu granicznym. Ilościowo wyniki obliczeń są bardzo dobrze zgodne z eksperymentem zwłaszcza w dziedzinie czasu, nieco gorzej w dziedzinie amplitudy. Przedstawiono propozycje kierunków badań dla udoskonalenia równania, tak aby uzyskać równie dobrą zgodność w dziedzinie amplitudy. Analiza rozwiązań równania ruchu, wsparta badaniami modelowymi oraz badaniami charakterystyk przepływomierzy umożliwiła optymalizację przepływomierza i znaczną poprawę jego właściwości. Ponieważ jednak możliwości przedstawionego, mimo wszystko uproszczonego modelu wyczerpują się, przedstawiono też, dla uzyskania jeszcze dokładniejszego odzwierciedlenia zjawisk zachodzących w przepływomierzu, propozycję dalszych badań z zastosowaniem metody elementów skończonych.

Słowa kluczowe

EN

fluidic flowmeters; oscillatory flowmeters; mechanical oscillator flowmeters; numerical simulation of flowmeters

PL

przepływomierz strumieniowy; przepływomierz oscylacyjny; przepływomierz z oscylatorem mechanicznym; symulacja numeryczna przepływomierza

• Wydawca: Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN
• Czasopismo: Metrology and Measurement Systems
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 10, nr 1
• Strony: 77--100
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Turkowski M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Mechatronics

Bibliografia

• 1. Lutz K.: Neue Wege in der Durchflumessung. Erstmals nach dem Schwingkörperprinzip. Die Chemische Produktion. Jan./Feb. 1977, pp. 7-9.
• 2. Lutz K.: Der neuartige Schwingkörper-Durchflumesser „Roraflux”. CZ-Chemie-Technik, 1973, 7, pp. 286-289.
• 3. Takahashi S., Itoh I,: Intelligent vortex flowmeter, FLOMEKO’93, Proceedings of the 6th International Conference on Flow Measurement, Seoul, Korea, 1993, pp. 107-113.
• 4. Miau J. J., Hu C. C., Chou J. H.: Response of a vortex flowmeter to impulsive vibrations. Flow measurement and Instrumentation, 2000, 11, pp. 41-48.
• 5. Johnson A.: Applying vortex flow metering technology in demanding process applications. Proceedings of the Flow Measurement 2001 International Conference, Peebles, U. K., paper 4.4.
• 6. Turkowski M.: Optimisation of the flowmeter with mechanical oscillator. Proceedings of the Flow Measurement 2001 International Conference, Peebles, U. K., paper 2.3.
• 7. Turkowski M.: Progress towards the optimisation of a mechanical oscillator flowmeter. Flow Measurement and Instrumentation, vol. 14, issue 1-2 March April 2003, pp. 13-21.
• 8. Heckle M.: Ein neues Durchflumessvefahren mit Frequenzausgang. Messtechnik, 1971, 9, pp. 207-214.
• 9. Sigloch H.: Technische Fluidmechanik. VDI Verlag GMbH, Düsseldorf 1982.
• 10. Turkowski M.: Influence of the density of fluid on the characteristics of the flowmeter with mechanical oscillator. Proceedings of the 3rd International Conference on Measurement “Measurement 2001”, Smolenice, Slovakia, 2001, pp. 147-150.
• 11. Turkowski M.: Optymalizacja właściwości metrologicznych oraz rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych przepływomierzy z oscylatorem mechanicznym. Politechnika Warszawska, Prace Naukowe, Mechanika, z. 1999, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2003.
• 12. Dobrowolski B., Kabza Z.: Teoretyczna analiza wpływu osiowosymetrycznej deformacji pola prędkości i zawirowania strugi na właściwości metrologiczne zwężek pomiarowych. Studia i monografie, z. 59, WSI Opole 1991.
• 13. Pospolita J.: Ocena przydatności wybranych typów przepływomierzy do pomiarów przepływów nieustalonych. WSI w Opolu, Studia i Monografie, 1994.
• 14. Parry A.: Computation of fluid - rigid body dynamics interaction in flow meters. Proceedings of the Flow Measurement 2001 International Conference, Peebles. U.K., 2001, paper 5.3.
• 15. Lavante von, E.: Numerical investigation of the flow field in a 2-stage turbine flow meter. Proceedings of the Flow Measurement 2001 International Conference, Peebles, U.K., 2001, paper 2.2.
• 16. Puzyrewski R., Sawicki J.: Podstawy mechaniki płynów i hydrauliki, wyd. II, zmienione, PWN, Warszawa 1998.