熱式質量流量計仿真研究

熱式質量流量計是利用流體流過熱源加熱的管道時產生的溫度場變化來測量流體質量流量，或利用加熱流體時流體溫度上升某一值所需的能量與流體質量之 間的關系來測量流體質量流量的一種流量儀表。過去習慣稱之為熱式流量計，工業上一般將其應用于地面上氣體的質量流量測量，工業上使用這種測量方法的儀表還 有熱線風速儀、浸入型流量計等。熱式質量流量計目前主要應用于地面上測量氣體質量流量或微小液相流量的測量，但應用熱式質量流量計測量井下液相流量測量的 研究工作還很少，也尚未在油井中的液相流量測量得到應用。對于井下熱式質量流量計內部溫度場的仿真研究更是少之又少。為此，筆者對熱式質量流量計內溫度場 進行了數值仿真研究。

1 熱式質量流量計結構

熱式質量流量計結構示意圖如圖1所示，測量裝置由熱源加熱器、2個溫度傳感器以及測量電路構成。在筒狀測量管段下方沿流體流動方向安置一個 溫度傳感器1，測量流體的背景溫度。在溫度傳感器1上方一定距離安置1個溫度傳感器2，在溫度傳感器2外部繞制電阻絲，作為恒定的熱源，溫度傳感器2測量 電阻加熱絲在不同流量下被流體冷卻的程度。

圖1 熱式質量流量計結構示意圖

2 數學模型

按照流道和測速探頭的幾何結構，選擇如下參數：二維圓管長300mm，直徑20mm，即建立1個長300mm，寬20mm的長方形。在二維 圓管內位置設有長10mm，直徑4mm的加熱絲，即建立1個長10mm，寬4mm的小長方形位于大長方形的。將測量裝置內加熱絲周圍進行放大仿 真，建立了1個加熱絲的二維模型（見圖2）。

圖2 圓管和加熱絲的二維模型

3 邊界條件設定

進入Fluent后，通過BoundaryGonditions對話框來完成設置邊界條件工作。

首先，查油、水和加熱絲的物性參數（見表1）。仿真時流體區域設置材料為水或油，加熱絲固體區域設置材料為鎳鎘合金。由于Fluent材料 庫中水的物性參數已提供，可以直接使用。油和加熱絲（鎳鉻合金）需要創建。按照表1創建完成后選擇區域屬性時便可輸入。其次，設置入口為速度入口。在仿真 時可以通過表2方便地查找仿真流量對應的各種參數。然后，設置出口為壓力出口。最后，定義壁面wai－wall，即將圓管的上表面和下表面定義為墻壁。將 加熱絲nei－wall定義為具有一定功率的光滑壁面，無滑移。

表1 仿真介質的物性參數

表2 不同流量下的截面速度、雷諾數、湍流強度

4 數值模擬結果及分析

4.1 圓管內加熱絲溫升隨流量的變化

加熱絲加熱功率分別為10、20、36W時，水平圓管內通入不同流量的水進行加熱。將通入水的初始溫度設定為25℃（298K）。利用 Fluent軟件計算出來的300mm長、20mm寬的二維圓管內加熱絲持續加熱時周圍流體的溫度分布圖以及加熱絲達到的最終溫度和初始溫度等信息（見表 3）。為了方便觀察，只截取了加熱絲附近的溫度分布情況，并對其放大。

1）加熱絲加熱功率為10W時溫升同流量變化規律

表3所示為加熱絲加熱功率為10W、流量從1～30m³/d變化時水平管內溫度穩定時的溫度分布圖。加熱絲的顏色越 暗，代表溫度越高，越淺代表溫度越低。Tmin代表水的初始溫度，也就是整個水平管內的溫度；Tmax代表加熱絲所達到的溫度。從表3中加熱絲的 顏色可以清晰的看出，隨著流量的逐漸增大，加熱絲的顏色逐漸變淺，可見溫升值逐漸減小。流量為1m³/d時，加熱絲達到的溫度值，溫升也；流量超過20m³/d小于30m³/d時，溫升減小，說明此時加熱絲產生的熱量散失；流量小于20m³/d時，有很好的流量分辨率，大于20m³/d時分辨率降低。

表3 加熱絲加熱功率為10W時的溫度的分布表

從圖3中可以看出，當加熱絲加熱功率為10W時，加熱絲的溫升隨流量的增加而減少，并且在20m³/d以下時，溫升變化較大，有很好的流量分辨率；大于20m³/d時，溫升變化不明顯。原因在于加熱功率不高，產生的熱量迅速散失，流量越大，熱量散失的越快。