مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

توسعه مدلی جدید با استفاده از شبیه‌سازی CFD برای پیش‌بینی عملکرد کنتور توربینی گاز

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 پژوهشکده اندازه‌گیری جریان سیالات، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
پژوهش حاضر، توسعه مدلی عددی برای پیش‌بینی عملکرد کنتور توربینی گاز با استفاده از معادله حرکت بر پایه تئوری تعادل گشتاور است. در این مدل با استفاده از دیدگاه قاب چرخان چندتایی و مدل اغتشاشی Standard k-ε شبیه‌سازی در حالت پایا بر روی یک کنتور توربینی گاز ۲اینچ با ظرفیت ۶۵G و کلاس ۱۵۰ ساخت شرکت ومتک به‌وسیله نرم‌افزار فلوئنت انجام شد. جهت مدل‌کردن معادله تعادل گشتاور و محاسبه سرعت زاویه‌ای روتور، کد UDF مناسب ایجاد و به نرم‌افزار اضافه شد. برای ارزیابی دقت مدل، نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از سازنده کنتور مورد مقایسه قرار گرفت که اختلاف نتایج شبیه‌سازی و داده‌های تجربی حدود ۰/۱۶% بود که نشان از اعتبار مدل ارایه‌شده در شبیه‌سازی عملکرد کنتور توربینی گاز است. نتایج به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی بیانگر عدم تقارن توزیع سرعت برای دبی‌های بیش از Qmax ۰/۴ در پایین‌دست کنتور بود و برای اینکه این پدیده تاثیر منفی بر اندازه‌گیری جریان نداشته باشد، طول مناسب برای توسعه‌یافتگی جریان برای پایین‌دست کنتور با استفاده از شبیه‌سازی انجام‌شده حداقل ۱۰ برابر قطر لوله پیشنهاد شد. بنابراین می‌توان با استفاده از مدل ارایه‌شده هزینه‌های سنگین طراحی و بهینه‌سازی کنتور توربینی را کاهش داد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Development of a New Model for Prediction of Gas Turbine Flowmeter Performance Using CFD Simulation

نویسندگان English

B. Rahmati 1
S.H. Hashemabadi 1
M. Salemi Mojarrad 2
1 Chemical Engineering Department, Chemical, Petroleum & Gas Engineering Faculty, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran
2 Flow Measurement Research Center, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The present study is a numerical model for prediction of turbine flowmeter performance, using the equation of motion based on torque balance theory. In this model, numerical simulations were carried out for a 2-inch diameter G65 and PN/ANSI 150 gas turbine flowmeter which was made by Vemmtec Company, in steady state, using Multiple Reference Frame (MRF) model and Standard k-ε turbulence model using Fluent software. In order to model torque balance equation and calculate angular velocity of rotor, a UDF (User Defined Function) code was created and was added to the software. To evaluate the model's accuracy, simulation results were compared with experimental data which was obtained from manufacturer of the meter. The difference between the simulation results and experimental data was 0.16%, approximately, which indicates the validity of the proposed model in simulating of turbine gas flowmeter performance. The results obtained from the simulation depicted that the velocity distribution asymmetry was more than 0.4Qmax at the downstream of the meter, and because this phenomenon had no negative effect on flow measurement, the suitable length for the flow development for the downstream of meter was done using simulation at least 10 times the diameter of the pipe was proposed. Therefore, using the proposed model, the capital cost of design and optimization of turbine flowmeters can be reduced.

کلیدواژه‌ها English

Gas Turbine Flowmeter
Torque Balance Theory
CFD Simulation
Multiple Reference Frame (MRF) Model
Bonner JA. A new international standard, ISO 9951: the measurement of gas flow in closed conduits-turbine meters. Flow Measurement and Instrumentation. 1993;4(2):99-100 [Link] [DOI:10.1016/0955-5986(93)90020-J]
Cascetta F, Rotondo G. Effects of intermittent flows on turbine gas meters accuracy. Measurement. 2015;69:280-286. [Link] [DOI:10.1016/j.measurement.2015.02.008]
Baker RC. Turbine flowmeters: II. theoretical and experimental published information. Flow measurement and Instrumentation. 1993;4(3):123-144. [Link] [DOI:10.1016/0955-5986(93)90048-N]
Thompson RE, Grey J. Turbine flowmeter performance model. Journal of Fluids Engineering. 1970;92(4):712-722. [Link] [DOI:10.1115/1.3425117]
Tsukamoto H, Hutton S. Theoretical prediction of meter factor for a helical turbine flowmeter. In Proceeding of Conference on Fluid Control and Measurement, Unknown Date of conferenc, Tokyo, Japan. Unknown Publisher city: Unknown Publisher; 1985. [Link]
Tonkonogij J, Pedisius A. Numerical simulation of the turbine gas meter behavior in the pulsating flow. Heat Transfer Research. 2008;39(7):559-570. [Link] [DOI:10.1615/HeatTransRes.v39.i7.10]
Salami LA. Effect of upstream velocity profile and integral flow straighteners on turbine flowmeters. International Journal of Heat and Fluid Flow. 1984;5(3):155-165. [Link] [DOI:10.1016/0142-727X(84)90073-0]
Xu Y. Calculation of the flow around turbine flowmeter blades. Flow Measurement and Instrumentation. 1992;3(1):25-35. [Link] [DOI:10.1016/0955-5986(92)90013-U]
Xu Y. A model for the prediction of turbine flowmeter performance. Flow Measurement and Instrumentation. 1992;3(1):37-43. [Link] [DOI:10.1016/0955-5986(92)90014-V]
Madadkon H, Fadaei Tehrani A, Nili Ahmadabadi M. Experimental and numerical investigation of unsteady turbulent flow in a fluidic oscillator flow meter with derivation of characteristic diagram. Modares Mechanical Engineering. 2013;12(5):30-42. [Persian] [Link]
Hoch T, Von Lavante E. Numerical test rig for turbine gas meter. XIX IMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology, Unknown Date of conferenc, Lisbon, Portugal. Unknown Publisher city: Unknown Publisher; 2009. [Link]
Von Lavante E. Investigation of unsteady three-dimensional flow fields in a turbine flow meter. In: Merzkirch W. Fluid mechanics of flow metering. Heidelberg: Springer; 2005. [Link] [DOI:10.1007/3-540-26725-5_11]
Pei JH, Su ZD, Zhang K. Using numerical simulation to optimize the design of gas turbine flowmeter sensor. In Advanced Materials Research. 2013;712-715:1910-1913. [Link] [DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.712-715.1910]
Guo S, Zhang T, Sun L, Yang Z, Yang W. Blade shape optimization of liquid turbine flow sensor. Transactions of Tianjin University. 2016;22(2):144-150. [Link] [DOI:10.1007/s12209-016-2685-z]
Yuan Y, Zhang T. Research on the dynamic characteristics of a turbine flow meter. Flow Measurement and Instrumentation. 2017;55:59-66. [Link] [DOI:10.1016/j.flowmeasinst.2017.05.002]
Baker RC. Turbine and related flowmeters: I. industrial practice. Flow Measurement and Instrumentation. 1991;2(3):147-161. [Link] [DOI:10.1016/0955-5986(91)90027-O]
Bruce RW. Handbook of lubrication and tribology, volume II: Theory and design. Boca raton: CRC press; 2012. [Link] [DOI:10.1201/b12265]
Bird RB. Transport phenomena. Applied Mechanics Reviews. 2002;55(1):1-4. [Link] [DOI:10.1115/1.1424298]
Versteeg HK, Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method. London: Pearson; 2007. [Link]
Fluent A. 12.0 user's guide. Canonsburg: Ansys Inc; 2009. [Link]
Vemmtec. IGTM gas turbine meter with electronic outputs and mechanical counter: documentation and technical specifications [Internet]. Potsdam: Vemmtec Comany; 2012 [Cited Unknown Y Unknown M Unknown D]. Available from: Unknown [Link]