Mittalaipan painehäviön CFD-simulointi

Abstract

Teollisuudessa putkistojen virtamittausten tarkkuudella on merkittävä vaikutus prosessien toimintaan. Suuri osa kaikista tilavuusvirtamittauksista tehdään mittalaipalla, jonka aiheuttama painehäviö on otettava huomioon suunnitteluvaiheessa. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on perehtyä numeeriseen virtauslaskentaan sekä verrata empiiristen ja analyyttisten kaavojen avulla laskettuja painehäviön arvojen yhdenmukaisuutta putkistossa CFD-ohjelmistosta saatuihin tuloksiin. Päätarkoituksena on tutkia mittalaippaa, laskea painehäviö standardin mukaan ja verrata tulosta aikariippumattomalla simuloinnilla saatuun arvoon. Laskentaan käytettiin standardia ISO 5167 (2022) ja simuloinnissa ANSYS Fluent -ohjelmistoa. Työn ensimmäisissä kappaleissa käsitellään virtauslaskennan, sekä CFD-simuloinnin teoriaa ja laskentaverkon luomiseen liittyviä haasteita. Myöhemmissä kappaleissa perehdytään painehäviöön ja mittalaipan ominaisuuksiin, jonka jälkeen esitellään kaksi tutkittavaa tilannetta. Ensimmäisessä tilanteessa tutkitaan fluidin ja suoran putken seinämän välisen kitkan aiheuttamaa paihehäviötä. Toisessa tilanteessa putki oletetaan sileäksi ja tarkastellaan vain mittalaipan aiheuttamaa palautumatonta painehäviötä. Simuloitujen ja analyyttisten tulosten havaittiin vastaavan hyvin toisiaan, minkä lisäksi simuloinnilla saatiin tutkittua virtauksen käyttäytymistä, tutkittua muun muassa virtauksen nopeusprofiilia eri kohdissa putkea ja arvioitua turbulentin putkivirtauksen kehittymismatkaa. Lisäksi saadut tulokset ovat yhteneviä kirjallisuudesta löytyvien tiedon ja kokeellisten tutkimusten kanssa, mikä osoittaa mallien toimivuuden. Tuloksista havaitaan, että laskentamalli arvioi kitkan aiheuttamaa painehäviötä noin 3 % analyyttista tulosta pienemmäksi. Standardin kaavoilla laskettu mittalaipan painehäviön arvo puolestaan oli noin 6 % suurempi CFD-tuloksiin verrattuna. Tuloksiin vaikuttavat todennäköisesti useat mittalaipan geometriaan ja virtaustilanteeseen liittyvät oletukset sekä laskentahilaan liittyvät epätarkkuudet. Tulevaisuudessa eri menetelmillä laskettujen tulosten yhdenmukaisuutta voisi vielä tutkia muuttamalla mittalaipan geometriaa, laskea tuloksia useilla virtausnopeuksilla ja hilatiheyksillä sekä suorittaa kokeellisia tutkimuksia laskentatulosten validointia varten.

In the industrial sector, the accuracy of flow measurements in pipes has a significant effect on processes. Therefore, it is important to have reliable ways to predict the pressure drop caused by the orifice, which is one of the most common ways to measure rate of flow. The main objective is to study the orifice plate, calculate the pressure drop according to the standard, and compare the result with the value obtained from time-independent simulation. The ISO 5167 (2022) standard was used for calculation, and ANSYS Fluent software was used for simulation. The first sections of the thesis focus on the theory of laminar and turbulent flows and CFD simulation, as well as the possible challenges involved in a generation of good mesh. Later the characteristics of the orifice plate are studied, followed by the presentation of two cases. In the first case, the pressure drop caused by friction in a straight pipe is calculated. In the second situation, the pipe is assumed to be smooth, and only the irreversible pressure drop caused by the orifice plate is examined. The results were found to correspond well with each other. The simulation gave additional insights of the flow, such as the velocity profile of the flow at different sections in the pipe and the entrance effects of turbulent flow. The results show CFD -software approximated the pressure loss caused by friction to be higher than analytical equations. The pressure drop across the orifice plate was calculated to be 6% higher than the CFD prediction. This phenomenon is likely caused by the assumptions of the orifice geometry and flow conditions. In the future, the consistency of results could be further studied by altering the geometry of the orifice plate, calculating results at multiple velocities, and conducting experimental studies for comparison of calculation results.