En mécanique des fluides, le conditionnement d'écoulement est un processus visant à garantir que les conditions d'écoulement dans un environnement opérationnel réel se rapprochent autant que possible de celles observées dans un environnement de laboratoire. Cela permet d'assurer des performances optimales et précises des débitmètres tels que les ajutages, turbines, Coriolis, ultrasoniques et autres. Le conditionnement d'écoulement est essentiel pour réduire les perturbations de l'écoulement, comme les tourbillons et les asymétries, afin que les instruments de mesure de débit puissent fournir des lectures précises et fiables, similaires à celles obtenues dans des conditions contrôlées en laboratoire.

Types d'écoulement Fondamentalement, l'écoulement dans les conduites peut être classé comme suit : écoulement pleinement développé (qui a perdu la mémoire des conditions d'entrée), écoulement pseudo-entièrement développé, écoulement non-tourbillonnaire, non-symétrique, écoulement modérément tourbillonnaire, non-symétrique, écoulement fortement tourbillonnaire, symétrique.

Types de conditionneurs d'écoulement

Les conditionneurs d'écoulement montrés en fig.(a) peuvent être regroupés en trois types : ceux qui éliminent uniquement les tourbillons (paquets de tubes), ceux qui éliminent les tourbillons et la non-symétrie, mais ne produisent pas d'écoulement pseudo entièrement développé, ceux qui éliminent les tourbillons et la non-symétrie et produisent un écoulement pseudo entièrement développé (conditionneurs d'écoulement haute performance).

Les dispositifs de redressement tels que les nids d'abeilles et les aubes insérés en amont du débitmètre peuvent réduire la longueur de tuyau droit requise. Cependant, ils n'améliorent que marginalement la précision de la mesure et peuvent encore nécessiter une longueur de tuyau droit significative, qu'un site d'installation exigu peut ne pas permettre.

Un redresseur d'écoulement, parfois appelé nid d'abeilles, est un dispositif utilisé pour redresser le flux d'air dans une soufflerie. C'est un passage de conduits, disposés le long de l'axe du flux d'air principal pour minimiser les composants de vitesse latérale causés par le mouvement tourbillonnant dans le flux d'air à l'entrée. Les formes de section transversale de ces "nids d'abeilles" peuvent être des cellules carrées, circulaires et hexagonales régulières.

Un redresseur d'écoulement fait main à faible coût Un redresseur d'écoulement à faible coût peut être construit en utilisant des pailles, car elles sont peu coûteuses et efficaces. L'émission télévisée MythBusters utilise une telle construction pour leur soufflerie, tout comme une soufflerie expérimentale au MIT (Maniet). Les pailles doivent être coupées à taille égale et placées dans un cadre.

Efficacité du nid d'abeilles L'efficacité du nid d'abeilles, pour réduire le niveau de tourbillons et de turbulences, est étudiée en simulant le champ d'écoulement en utilisant le modèle de turbulence k-ε dans la mécanique des fluides numérique (CFD) commerciale. La CFD est l'approche la plus précise et la plus économique pour estimer l'efficacité d'un nid d'abeilles.

Modèle de calcul Un domaine de calcul de nid d'abeilles est créé comme montré dans la Fig. 1.

Nous savons qu'il est très difficile de fournir un écoulement non uniforme réaliste à l'entrée du nid d'abeilles comme expérimenté dans les expériences. De telles conditions d'entrée aléatoires simulent essentiellement le cas réaliste dans lequel l'air peut entrer dans le nid d'abeilles de n'importe quelle direction et à n'importe quel niveau de turbulence. Par conséquent, un domaine spécial est conçu pour introduire une condition d'entrée pratique.

Maillage des modèles de calcul

Le modèle solide du nid d'abeilles est maillé dans GAMBIT 2.3.16, comme montré dans la Fig. 2. Un maillage rectangulaire structuré est utilisé pour la simulation avec une configuration de nid d'abeilles carrée. Les équations régissant la conservation de la masse et de la quantité de mouvement pour l'écoulement subsonique ainsi que les équations pour la turbulence et l'écoulement poreux sont résolues pour le nid d'abeilles en utilisant un code commercial. Le modèle RNG k-ε de type RANS est utilisé pour la modélisation de la turbulence.

Conditions aux limites

Le domaine séparé créé en amont du nid d'abeilles est fourni avec diverses conditions d'entrée pour arriver à un mouvement désordonné à la sortie, qui doit être donné comme une entrée aux cellules du nid d'abeilles. Cela simule essentiellement le cas plus réaliste où le flux peut entrer dans le nid d'abeilles de n'importe quelle direction. Les spécifications de cette entrée ainsi que d'autres conditions aux limites nécessaires sont mentionnées ici. Le flux à l'entrée du nid d'abeilles doit nécessairement avoir des mouvements turbulents et tourbillonnants. Par conséquent, pour incorporer ces exigences, un domaine de fluide séparé est construit.

Les faces circulaires supérieure et inférieure sont considérées comme des entrées pour ce domaine afin d'obtenir un champ d'écoulement avec une plus grande magnitude de vitesse latérale. Ce domaine est équipé de cylindres verticaux et horizontaux comme obstruction à l'entrée pour produire suffisamment de tourbillons à la sortie de cette section. Un maillage tétraédrique comme montré dans la Fig. 3 avec des éléments tétraédriques est généré pour cette géométrie. Le nombre de nœuds est de . Trois faces de cette configuration sont spécifiées comme entrées avec des conditions de vitesse aux limites. La vitesse du fluide à ces faces d'entrée est prise de manière que la vitesse moyenne à la sortie soit de 1 m/s, ce qui est la valeur dans la soufflerie opérationnelle.

Une condition de pression de sortie est utilisée à la sortie de la chambre de stabilisation où la pression à la sortie est réglée à zéro pour la pression relative. Il est toujours possible de prédire le champ d'écoulement entier en maillant tout le domaine fluide ; cependant, la simulation pour la prédiction du champ d'écoulement entier utilise la condition de symétrie aux limites. Cette approche réduit les besoins en maillage et les efforts computationnels. Par conséquent, la symétrie est utilisée à la périphérie du domaine de calcul.

Toutes les frontières solides dans le domaine computationnel sont spécifiées comme des parois visqueuses avec une condition aux limites de paroi sans glissement. Le profil d'intensité de la turbulence à la sortie du modèle de turbulence est montré dans la Fig. 4. Cette figure montre l'intensité de la turbulence qui est maximale au centre (30 %) et aux parois autour de 16-18 %, maintenant ce profil est incorporé à l'intérieur du nid d'abeilles comme montré dans la Fig. 2, le profil de l'intensité de la turbulence qui sort du nid d'abeilles est montré dans la Fig. 5. Dans ce profil, nous voyons que l'intensité de la turbulence est réduite de 30 % à 1,2 % au centre et de 16 % à 3,5 %, ce qui signifie que l'efficacité du nid d'abeilles est très élevée, autour de 96 %.

Mesure du gaz naturel Le gaz naturel qui contient beaucoup de liquides est connu sous le nom de gaz humide tandis que le gaz naturel produit sans liquide est connu sous le nom de gaz sec. Le gaz sec est également traité pour enlever tous les liquides. L'effet du conditionnement de l'écoulement pour divers compteurs populaires utilisés dans la mesure du gaz est expliqué ci-dessous.

Conditions d'écoulement dans les tuyaux Les aspects les plus importants et les plus difficiles à mesurer de la mesure du débit sont les conditions d'écoulement dans un tuyau en amont d'un compteur. Les conditions d'écoulement se réfèrent principalement au profil de vitesse d'écoulement, aux irrégularités dans le profil, aux niveaux de turbulence variables dans le profil de vitesse d'écoulement ou d'intensité de la turbulence, aux tourbillons et à toute autre caractéristique de l'écoulement du fluide qui feront que le compteur enregistre un débit différent de celui attendu. Cela changera la valeur de l'état de calibrage d'origine, connu sous le nom de conditions de référence, exemptes des effets d'installationMiller, W. Richard, "Flow Measurement Engineering Handbook", McGraw-Hill, Third Edition, 1996, .

Effets d'installation Les effets d'installation tels qu'un tuyau droit insuffisant, une rugosité ou une douceur exceptionnelles du tuyau, des coudes, des valves, des tés et des réducteurs font que les conditions d'écoulement dans le tuyau diffèrent des conditions de référence. L'impact de ces effets d'installation sur le compteur est très important puisque les dispositifs qui créent des effets d'installation en amont sont des composants courants de tout design standard de mesure. Le conditionnement d'écoulement se réfère au processus de génération artificielle d'un profil d'écoulement de référence entièrement développé et est essentiel pour permettre une mesure précise tout en maintenant un design de compteur compétitif en termes de coût. Les facteurs de calibrage du compteur sont valides uniquement si une similarité géométrique et dynamique existe entre les conditions de mesure et de calibrage. En mécanique des fluides, cela est communément appelé la loi de similaritéFlow conditioning for Natural gas measurement .

Loi de similarité Le principe de la loi de similarité est largement utilisé pour les machines à fluide théoriques et expérimentales. En ce qui concerne le calibrage des débitmètres, la loi de similarité est la base des normes de mesure de débit. Pour satisfaire à la loi de similarité, le concept de l'installation centrale nécessite une similarité géométrique et dynamique entre le débitmètre de laboratoire et les conditions installées de ce même compteur sur toute la période de transfert de propriété. Cette approche suppose que la technologie sélectionnée ne présente aucune sensibilité significative aux variations opératoires ou mécaniques entre les calibrages. Le facteur de débitmètre déterminé au moment du calibrage est valide si une similarité dynamique et géométrique existe entre l'installation sur le terrain et l'installation en laboratoire de l'appareil. Un modèle expérimental approprié du fabricant localise les régions sensibles à explorer, mesurer et ajuster empiriquement. La méthode de corrélation recommandée par le fabricant est une base rationnelle pour la prédiction des performances à condition que la physique ne change pas. Par exemple, la physique est différente entre l'écoulement subsonique et sonique. Pour satisfaire à la loi de similarité, le concept de calibrage in situ nécessite une similarité géométrique et dynamique entre le débitmètre calibré et les conditions installées de ce même compteur sur toute la période de transfert de propriété. Cette approche suppose que la technologie sélectionnée ne présente aucune sensibilité significative aux variations opératoires ou mécaniques entre les calibrages. Le facteur de débitmètre déterminé au moment du calibrage est valide si une similarité dynamique et géométrique existe dans l'"installation du débitmètre sur le terrain" sur toute la période de transfert de propriété..

Profil de vitesse d'écoulement La description la plus couramment utilisée des conditions d'écoulement dans le tuyau est le profil de vitesse d'écoulement. La Fig.(1) montre le profil typique de vitesse d'écoulement pour la mesure du gaz naturelKarnik, U., "Measurements of the Turbulence Structure Downstream of a Tubs Bundle at High Reynolds Numbers", ASME Fluids Engineering Meeting, Washington D.C., June 1993. La forme du profil de vitesse d'écoulement est donnée par l'équation suivante : ---- (1)