Aeroacoustics of dual-channel mass flow measurement devices

Abstract

Die Messung von großen Strömungsgeschwindigkeiten mit Doppelrohr Massendurchflussgeräten führt zu einer großen Streuung der Messergebnisse. Jedoch blieb die Quelle dieser Fehler, anders als die Einflüsse von Temperatur oder Druck, noch ungelöst. Diese Arbeit hatte zum Ziel, diese Fehler mit strömungsinduziertem Schall zu erklären. Die Analyse von strömungsinduziertem Schall in diesem Messsystem ist komplex, da die akustischen Quellen innerhalb des Gerätes selber entstehen, wo große hydrodynamische Drücke die kleinen akustischen Drücke überlagern und eine direkte Messung des Schalls unmöglich machen. Aus diesem Grund wurde eine vibroakustische Untersuchung des Geräts durchgeführt und unter Verwendung der akustischen Lighthill-Analogie und Trennung der schwankenden Drücke in ihre inkompressiblen und akustischen Komponenten ergänzt. Sowohl die dominante akustische Quelle, als auch die störenden Frequenzen wurden in der numerischen Analyse identifiziert und durch Messungen der Auslenkung der Messrohre an drei unterschiedlichen Geräten mit zwei Doppler Laser Vibrometern an einer Kalibrieranlage verifiziert. Weiterhin wurde ein deutliches Verhalten der akustischen Drücke und Rohrverschiebungen über die Reynoldszahl erkannt, welche in Verbindung zum Energiespektrum der Turbulenzen steht. Die Streuung der Messergebnisse entsteht nicht direkt aufgrund der akustischen Drücke, jedoch durch deren Verstärkung aufgrund akustischer Resonanzen im System. Durch ein geändertes Design konnte diese Verstärkung unterdrückt werden und die Stabilität und Wiederholbarkeit des Massenflussgeräts um einen Faktor von fünf verbessert werden. Die Messleistung des neuartigen Designs wurde auf einer Kalibrieranlage verifiziert und liegt innerhalb einer maximalen Fehlerangabe von 0.25%. In Zukunft werden die erarbeiteten akustischen Überlegungen im Optimierungsalgorithmus aller Doppelrohr Massendurchflussgeräte integriert werden, um hoch genaue Messungen von Medien mit hohen Geschwindigkeiten sicherzustellen.

Measuring high speed fluid flows in ducts with dual-channel mass flow meters results in a large scattering of the measurement values outside the 0.35% error specification. However the origin of these errors remained, unlike other influences such as temperature and pressure, unresolved. This work was initiated with the motivation to prove that the cause of the measurement value scattering lies in flow-induced sound. An analysis of the flow-induced sound on such a device is complex. The main acoustic source is located within the meter itself, where the large hydrodynamic pressures superimpose the much smaller acoustic pressures and make any direct measurement of the acoustic quantities impossible. For this purpose a vibroacoustic examination of the system has been completed using a hybrid computational aeroacoustic method, applying Lighthills acoustic analogy and splitting the fluctuating pressures into their incompressible and acoustic components. The location of the main acoustic source, and the disturbance frequencies due to the flow-induced sound could be identified in the numerical analysis and verified with measurements of the duct displacements on three different devices using two Doppler laser vibrometers on a calibration rig. Furthermore, a distinct behaviour of the acoustic pressures and duct displacements over Reynolds number could be identified, which is dependent on the turbulence energy spectrum at the location of the main source. The scattering of the measurement values does not result directly from the produced acoustic pressures, but in their amplification through acoustic resonances in the system. Through design, this resonance behaviour could be suppressed and the stability and repeatability accuracy of the dual-channel mass flow devices improved by a factor of five. The measurement performance of the novel designs was verified on a calibration rig, and was found to comply with maximum error specifications of 0.25%. In future, these acoustic considerations will be made part of the optimization algorithms applied in dual-channel mass flow meter design to ensure accurate measurements of high speed fluid flows. ­­