Szybki rozwój numerycznych technik obliczeniowych umożliwia opracowanie nowych metod pomiarowych opartych na realistycznych modelach matematycznych badanych zjawisk przepływowych. W niniejszej pracy została zaprezentowana oryginalna metoda pomiaru strumienia przepływu w zastosowaniu do przepływomierzy kolanowych. Cechą charakterystyczną prezentowanej metody jest dwuparametrowe (Dp, Re) badanie wyznaczanego strumienia płynu, gdzie Dp oznacza różnicę ciśnienia w skrajnych punktach siecznej łuku kolana. Poszukiwaną wartość strumienia objętościowego przepływu płynu wyznacza się w sposób numeryczny dokonując minimalizacji wyrażenia stanowiącego różnicę pomiędzy wielkością zmierzoną Dpłuk i odpowiednią obliczoną Dpnum. W obliczeniach numerycznych oprócz zmierzonej różnicy ciśnienia (Dpłuk) uwzględnia się dokładną geometrię obszaru przepływu oraz zmierzoną wartość temperatury płynu, determinując właściwości termofizyczne płynu. Obliczenia numeryczne wykonano za pomocą pakietu FLUENT. W celu praktycznej realizacji metody zbudowano dwa stanowiska doświadczalne. Podstawową częścią stanowiska I jest rurociąg o średnicy wewnętrznej Dw=102mm, złożony z trzech części: odcinka pionowego o długości Le+Le'=6m, łuku kolana 90° o względnym promieniu R/Dw=3,92 oraz odcinka poziomego za kolanem o długości L2=3,5m. W połowie pionowego odcinka rury umieszczono kryzę pomiarową o średnicy wewnętrznej dkryza=77mm. Zasadnicza odmienność stanowiska doświadczalnego II polega na wykorzystaniu do jego budowy dwóch łuków kolan o średnicy Dw=146mm i odpowiednich odcinków prostoliniowych o podobnej średnicy. Większe średnice łuków kolan i odcinków rur umożliwiają na stanowisku II eliminację drgań rurociągu zwłaszcza w przypadku realizowanych przepływów opisanych wartościami liczby Re>200000. Ponadto szeregowe połączenie wspomnianych łuków kolan umożliwia badanie efektu instalacji przepływomierza. Uzyskane za pomocą kryz zainstalowanych na obydwu stanowiskach rezultaty służą do porównań wyników pomiaru pośredniego. Na siecznej kolan wykonano w każdym przypadku dwa otwory impulsowe do pomiaru ciśnienia za pomocą zestawu przetwornika ciśnienia wraz z miernikiem cyfrowym. Wspomniane otwory impulsowe do pomiaru ciśnienia wykorzystywano wymiennie do pomiaru rozkładu prędkości na siecznej kolan za pomocą termoanemometru. Zaprezentowana w pracy metoda pośredniego pomiaru strumienia przepływu płynu oznacza się wysoką dokładnością i powtarzalnością oraz eliminuje konieczność częstego wzorcowania przepływomierza kolanowego. Wysoką dokładność pomiaru umożliwia między innymi opracowany, realistyczny model matematyczny złożonego przepływu płynu w obszarze przepływomierza. Rozważany przepływomierz kolanowy realizujący prezentowaną pośrednią metodę pomiaru może być stosowany do wyznaczania strumienia przepływu gazów jak również cieczy.
Fast development of computational techniques allows study of new measurement methods based on realistic mathematical models of analyzed flow phenomenon. In this PhD thesis the indirect measurement method of fluid flow rate in application to elbow meters was proposed. The specific feature of the method consists in two-parameter examination (dp, Re) of the measured flow, where dp is the pressure difference between two extreme points of elbow secant. The required value of volumetric flow rate is being established in a numerical way by minimizing the expression of the difference between the measured pressure drop value dpłuk and the corresponding computed one dpnum Besides measured pressure difference (dpłuk) the exact geometry of the flow space and the measured temperature of the fluid, on base of which its thermo-physical properties are determined, is taken into account in numerical calculus. The numerical computations were performed with application of the software package FLUENT 6.1. With the aim of practical realization of the method two special test stands were constructed. Basic part of test stand I is a piping with an internal diameter of D2=102mm, consisting of three parts: a vertical pipe with Le+Le'=6m, a 90° elbow with an relative radius of R/D=3,92, and straight pipe section after the elbow, with a length of L2=3,5m. At the middle of vertical straight section a measuring orifice is arranged with the inner diameter d=77[mm]. The main difference of test stand II is that it was built with use of two elbows with an internal diameter Dw=146mm and straight pipe sections with similar diameter. Bigger diameter of elbows as well as straight pipes eliminate test stand vibration especially in case of measured fluid flows described with values of Re>200000. Additionally, two elbows connected one by one gave possibility of investigation of installation effects of elbow flowmeter. Results obtained with use of orifices mounted on both test stands were used for comparison to corresponding ones coming from indirect measurement. There are two pressure measuring holes on the secant of every elbow. These measuring holes were also used for alternative measurements of the velocity distribution on the secant using the thermo-anemometer. The presented method of indirect measurement of the volumetric flow rate of fluids features high accuracy and repeatability, and eliminates the necessity of frequent calibration of the elbow flow meter. The high measurement accuracy was made possibly due, among other factors, to the worked out, realistic mathematical model of the complex fluid flow in the zone of the flow meter. The discussed elbow flow meter, implementing the presented intermediate measuring method, can be applied to determine the flow rate of gases, as well as liquids.
