شبیه‌سازی CFD تأثیر پارامترهای هندسی بر تقسیم جریان گاز بین مسیر اصلی و کنارگذر در جریان‌سنج‌های میکروترمال برای مصارف خانگی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 آزمایشگاه تحقیقاتی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه علم و صنعت ، تهران، ایران

2 آزمایشگاه تحقیقاتی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران پژوهشکده

3 شرکت ملی گاز استان تهران، ایران

10.22078/pr.2021.4326.2963

چکیده

اندازه‌گیری دقیق جریان گاز یک نیاز اساسی در مصارف خانگی است. در حال حاضر، از کنتورهای گاز دیافراگمی جهت اندازه‌گیری مصارف خانگی گاز استفاده می‌شود که یک فناوری بسیار قدیمی و کم‌دقت است. در سال‌های اخیر، استفاده از جریان‌سنج میکروترمال به‌دلیل اندازه‌ کوچک، توان مصرفی پایین و دقت مناسب در حال رشد است اما بازه‌ اندازه‌گیری محدود آن‌ها، مانع از به‌کار بردن این جریان‌سنج‌ها در اندازه‌گیری مصارف خانگی گاز است. جهت رفع این محدودیت در پژوهش حاضر، به معرفی سیستم مسیر کنارگذر مشابه با جریان‌سنج‌های لوله مویین پرداخته شد که در چند جریان‌سنج میکروترمال تجاری نیز استفاده شده است. این سیستم در جریان‌سنج‌های میکروترمال می‌بایست به گونه‌ای طراحی شود که دبی قابل قبولی وارد مسیر کنارگذر (میکروکانال) شود. بنابراین در این پژوهش برای اولین بار تأثیر پارامترهای هندسی مختلف بر میزان جریان گاز ورودی به مسیر کنارگذر در محدوده دبی مصارف خانگی با حل هم‌زمان معادلات جریان مغشوش و آرام از طریق شبیه‌سازی دینامیک سیالات مورد مطالعه قرار گرفت. طبق نتایج با بزرگ‌تر بودن ارتفاع مسیر کنارگذر، کمتر بودن قطر لوله‌های المان آرام‌ساز جریان و کمتر بودن فاصله آن با ورودی و خروجی مسیر کنارگذر دبی گاز بیشتری وارد مسیر کنارگذر می‌شود. در نهایت، ارتفاع میکروکانال µm 160، فاصله mm 2 ورودی و خروجی مسیر کنارگذر از المان آرام‌ساز و چینش مربعی المان آرام‌ساز با قطر لوله‌های mm 8/1 پیشنهاد شد. در این مشخصات، 100 تا 200% نسبت به اکثر پیکربندی‌های دیگر کار حاضر، دبی بیشتری وارد مسیر کنارگذر می‌شود.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

CFD Simulation of Effect of Geometric Parameters on the Gas Flow Distribution between the Main Route and the Bypass in the Microthermal Flow Meters for Domestic Use

نویسندگان [English]

  • Vahid Kermani 1
  • Seyed Hassan Hashemabadi 2
  • Seyed Mohammad Mirnajafizadeh 3
1 Computational Fluid Dynamics (CFD) Research Laboratory, School of Chemical, Petroleum and Gas Engineering, Iran University of Science and Technology (IUST), Tehran, Iran
2 Computational Fluid Dynamics (CFD) Research Laboratory, School of Chemical, Petroleum and Gas Engineering, Iran University of Science and Technology (IUST), Tehran, Iran Institute of Fluid Flow Measurement, Iran University of Science and Technology
3 Natinoal Iranian Company, Tehran, Iran
چکیده [English]

Accurate measurement of gas flow is a basic need in domestic use. Diaphragm gas meters are currently used to measure domestic gas consumption, which is a very old and inaccurate technology. In recent years, the use of thermal MEMS flowmeters has been growing due to their small size, low power consumption, and good accuracy, but their limited measurement range has prevented them from being used to measure domestic gas consumption. In order to eliminate this limitation, in the present study, a bypass system similar to capillary tube flowmeters was introduced, which it has also been used in several commercial microthermal flowmeters. This system must be designed in such a way that an acceptable flow enters the bypass (microchannel). Therefore, in this study, for the first time, the effect of different geometrical parameters on the flow rate to the bypass in the flow range of domestic consumption was studied by simultaneously solving turbulent and laminar flow equations through fluid dynamics simulation. According to the results, with the higher the height of the bypass channel is, the smaller the diameter of the laminar flow element is and the less bypass-laminar flow element distance is, more gas enters the bypass. Finally, the channel height of 160 micrometers, the distance of 2 mm between bypass entrance and laminar flow element, and the square arrangement of the laminar flow element with a diameter of 1.8 mm can be appropriate. In these specifications, 100 to 220 percent more flow enters the bypass than most other configurations of the work.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Numerical Simulation
  • bypass channel
  • gas flowmeter
  • thermal flowmeter
  • microchannel
[1]. Miciuła I, Stępień P (2019) Analysis of the Global Market of Energy Resources. Springer. 85-96.##
[2]. گروه ترازنامه هیدروکربوری موسسه مطالعات بین‌المللی انرژِی (1395) ترازنامه هیدروکربوری کشور سال 1393، چاپ اول، هزاره سوم اندیشه، 386-399. ##
[3]. TMR Group (2018), Gas Meters Market: Global Industry Analysis Size - Share - Growth - Trends and Forecast 2018–2026, Transparency Market Research (TMR) Pvt. Ltd. 27-30. ##
[4]. Massah J, Mohammadifar H, Khazaei J (2010) Consideration of effects of ambient temperature on measuring accuracy of diaphragm gas meters. Romanian Techn. Sci. Academy. 16.1: 70-75. ##
[5]. Li X, Deng X, Zhang S, Zhan J, Wu L (2019) Metrological performance of diaphragm gas meters with different use age, The Journal of Engineering, 23: 8991-8994. ##
[6]. Tonković Z, Fekete D, Raos P (2016) The effect of measurement error of the gas meter to the calculation of gas consumption, Tehnički vjesnik 23, 5: 1511-1516. ##
[7]. Fadaei M, Ameli F, Hashemabadi S H (2019) Experimental study and CFD simulation of two-phase flow measurement using orifice flow meter, Petroleum Research, 108: 85-96. ##
[8]. رستمی ا. و هاشم‌آبادی س. ح. (2013) تأثیر پارامترهای عملیاتی برروی دقت جریان‌سنج توربینی با استفاده از شبیه‌سازی CFD، پژوهش نفت، 71، 22: صفحات 92-103. ##
[9]. Ejeian F, Azadi S, Razmjou A, Orooji Y, Kottapalli A, Warkiani M E, Asadnia M (2019) Design and applications of MEMS flow sensors: A review, Sensors and Actuators A: Physical, 295: 483-502. ##
[10]. Lee D, Kim J, Park Y, Lee K H Kim C, Kwon O, Kim S, Lee S R (2020) Sensitive and reliable thermal micro-flow sensor for a drug infusion system, Sensors and Actuators A: Physical, 112033. ##
[11]. Mojarab A, Kamali R (2020) Design, optimization and numerical simulation of a MicroFlow sensor in the realistic model of human aorta, Flow Measurement and Instrumentation, 74: 101791. ##
[12]. Kuo J T, Yu L, Meng E (2012) Micromachined thermal flow sensors—A review, Micromachines, 3, 3: 550-573. ##
[13]. Wu C H, Kang D, Chen P H, Tai Y C (2016) MEMS thermal flow sensors, Sensors and Actuators A: Phys ical, 241: 135-144. ##
[14]. Farsad S, Ardekani M A, Farhani F (2019) Experimental Investigation on negative values of yaw sensitivity coefficient for hot wire anemometer sensor in two-dimensional flow measurement, Modares Mechanical Engineering, 19, 5: 1275-1282. ##
[15]. Yarali M, Khanna S K (2014) Microfabrication of a variable range and multi-directionally sensitive thermal flow sensor. Sensors and Actuators A: Physical, 220: 159-167. ##
[16]. Xue N, Yan W (2012) A silicon-glass-based microfabricated wide range thermal distribution gas flow meter. Sensors and Actuators A: Physical, 173, 1: 145-151. ##
[17]. Sun J, Cui D, Zhang L, Chen X, Cai H, Li H (2013) Fabrication and characterization of a double-heater based MEMS thermal flow sensor, Sensors and Actuators A: Physical, 193: 25-29. ##
[18]. Etxebarria J, Berganzo J, Elizalde J, Llamazares G, Fernández L J, Ezkerra A (2016) Low cost polymeric on-chip flow sensor with nanoliter resolution. Sensors and Actuators B: Chemical, 235: 188-196. ##
[19]. Farzaneh-Gord M, Parvizi S, Arabkoohsar A, Machado L, Koury R (2015) Potential use of capillary tube thermal mass flow meters to measure residential natural gas consumption, Journal of Natural Gas Science and Engineering, 22: 540-550. ##
[20]. Parvizi S, Arabkoohsar A, Farzaneh-Gord M (2016) Natural gas compositions variation effect on capillary tube thermal mass flow meter performance, Flow Measurement and Instrumentation, 50: 229-236. ##
[21]. Cascetta F, Vigo P (1994) The future domestic gas meter: Review of current developments, Measurement, 13, 2: 129-145. ##
[22]. Frattolillo A, Massarotti N (2002) Flow conditioners efficiency a comparison based on numerical approach, Flow Measurement and Instrumentation, 13, 1: 1-11. ##
[23]. Holmes D, Vermeulen J (1968) Velocity profiles in ducts with rectangular cross sections Chemical Engineering Science, 23, 7: 717-722. ##
[24]. Rasmussen A, Mavriplis C, Zaghloul M, Mikulchenko O, Mayaram K, (2001) Simulation and optimization of a microfluidic flow sensor, Sensors and Actuators A: Physical, 88, 2.: 121-132. ##