Aerated Flow Measurement and Modelling of a Coriolis Flowmeter
Translated title
To-fase flow målinger og modellering af en Coriolis flowmåler
Author
Juhl, Katrine Arnoldsen
Term
4. term
Education
Publication year
2014
Submitted on
2014-06-02
Pages
92
Abstract
Dette projekt undersøger, hvordan luftblandet (to-fase) strømning med gasbobler i væsken påvirker nøjagtigheden af Coriolis-flowmålere. Arbejdet kombinerer laboratorieforsøg på to målere fra forskellige producenter med numeriske strømningssimuleringer (CFD) af sensoren i en SITRANS FC400. Grundprincipperne for Coriolis-måling (Coriolis-kræfter, bjælkelære og faseskift) gennemgås, ligesom grundlæggende to-fase-flowregimer i vandrette og lodrette rør beskrives med Weisman-modellen og Mandhane-kortet. En patenteret metode til at estimere gasvolumenfraktionen (GVF) vurderes. Forsøgene blev udført på et luftblandet flow-testrig hos Siemens A/S, Flow Instruments (Nordborg, Danmark). Modtryk samt luft- og væskeparametre blev kontrolleret, og målerne registrerede massestrøm, densitet og (for den ene måler) drivniveauet, dvs. den energi der kræves for at holde målerøret i svingninger. Målefejlen på både massestrøm og densitet steg, når GVF steg. For måler 2 steg drivniveauet med både GVF og væskens massestrøm. CFD-simuleringerne blev udført i ANSYS Workbench/FLUENT med en blandingsmodel og en k-ω-turbulensmodel. Geometrien var baseret på FC400, og der blev gennemført et gitterkonvergensstudie (Grid Convergence Index) baseret på Richardson-ekstrapolation. Tre tilfælde blev undersøgt: en stationær enkeltfase, en forbigående enkeltfase og en forbigående tofase. I enkeltfase-tilfældene sås recirkulationszoner i flowsplitterne. Tre forbigående tofase-simuleringer med væskestrømme på 350 og 3500 kg/h og GVF på 5 % og 10 % viste områder inde i sensoren med højere gasvolumenfraktion end ved indløbet. Disse områder voksede, når enten væskestrømmen eller GVF blev øget, hvilket stemmer med teorien om afkobling mellem gas og væske og med de observerede målefejl. For at vurdere simuleringernes gyldighed uden at inkludere rørsvingninger blev kraftforholdene groft estimeret. Coriolis-kraften var mindst otte gange større end andre kræfter, der påvirker strømningen. Det blev konkluderet, at de øgede målefejl ved højere GVF skyldes afkoblingseffekten og ikke en forøgelse af Coriolis-kraften. Der sås ingen væsentlig ændring i Coriolis-kraftens størrelse mellem rent vand og en blanding med 5 % GVF. Rapporten udgør et første skridt mod at forbedre målenøjagtigheden for luftblandet flow og giver anbefalinger til næste skridt i forsøg og simuleringer, særligt med henblik på FC430-Coriolis-flowmåleren.
This project examines how aerated (two-phase) flow with gas bubbles in a liquid affects the accuracy of Coriolis flowmeters. The work combines laboratory tests on two meters from different manufacturers with Computational Fluid Dynamics (CFD) of the sensor in a SITRANS FC400. The basics of Coriolis measurement (Coriolis forces, beam theory, and phase shift) are outlined, and fundamental two-phase flow regimes in horizontal and vertical pipes are described using the Weisman model and the Mandhane map. A patented method for estimating the gas void fraction (GVF) is assessed. Experiments were performed on an aerated-flow test rig at Siemens A/S, Flow Instruments (Nordborg, Denmark). Back-pressure and air/liquid conditions were controlled, and the meters recorded mass flow, density, and (for one meter) the drive level, i.e., the energy required to keep the measuring tube vibrating. Measurement errors in both mass flow and density increased as GVF increased. For meter 2, the drive level rose with both GVF and the liquid mass flow rate. CFD simulations were carried out in ANSYS Workbench/FLUENT using a mixture model and a k–ω turbulence model. The geometry was based on the FC400, and a Grid Convergence Index study based on Richardson extrapolation was conducted. Three cases were investigated: a steady single-phase case, a transient single-phase case, and a transient two-phase case. In the single-phase cases, recirculation zones were observed in the flow splitters. Three transient two-phase simulations with liquid flow rates of 350 and 3500 kg/h and GVFs of 5% and 10% revealed regions inside the sensor with higher gas volume fraction than at the inlet. These regions grew as either the liquid flow rate or the GVF increased, consistent with the theory of gas–liquid decoupling and with the observed measurement errors. To gauge the validity of simulations without including tube oscillations, a rough force balance was made. The Coriolis force was at least eight times larger than any other force acting on the flow. It was concluded that the rising measurement error with increasing GVF is caused by the decoupling effect rather than by an increase in the Coriolis force. There was no significant change in the magnitude of the Coriolis force between pure water and a mixture with 5% GVF. The report represents a first step toward improving measurement accuracy for aerated flow and offers recommendations for next steps in experiments and simulations, particularly for the FC430 Coriolis flowmeter.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords