Placering av dopplerflödesmätare i brunnar

Placering av dopplerflödesmätare i två brunnstyper har utvärderats med hjälp av beräkningsmodeller och fältdata. Nedströmsplacering kunde ge fel av upp till 40 %.

Av: Jörgen Hanaeus 

Flödesfördelningen har beräknats med CFD (computational fluid dynamics) för två olika avloppsbrunnar där en nedsänkt HACH AV9000 flödesmätare har genererat fältdata. Lämplig täthet för beräkningsnätet har bestämts och energiförlustkoefficienten K (förlust =K*v²/2g) har beräknats för olika mätarpositioner och flöden.

Brunnen hade Φ 1 250 mm med Φ 500 rör in och ut och vattenhastigheten vid mätning var ca 0,7 m/s. Skillnader mellan mät- och beräkningsdata var mindre än 2 %. Mätarpositionen var viktig och för en nedströmsplacering 3 diameteravstånd från brunnen kunde ett 40 %-igt fel uppstå. En uppströmsplacering eller en nedströmsplacering > 10 rördiametrar från brunnen rekommenderades. 

Bakgrund

Flödesmätning i realtid är ett viktigt verktyg i förståelse och drift av avloppsnät. Mätare av dopplertyp tillhör de vanligaste instrument för sådana ändamål. Manualer föreslår att flödesmätaren ska placeras på avstånd av 10 ggr rördiametern för att flödet ska vara fullt utbildat, något som kan vara praktiskt svårt att åstadkomma.

Flödesmätningen bygger på en produkt av vattenhastighet och tvärsnittsarea där den förra utgör den största svårigheten. Sensorer samlar information från en konliknande volym som definieras av emissionsvinkel och strålbredd där hastigheten medelvärdesbildas vilket på ett begränsat antal mätpunkter kräver en korrigerande koefficient K_c = v/v_m. K_c är idealt =1,0, men har funnits variera ner mot 0,7 vid oregelbunden geometri. Att bestämma K_c vid höga flöden och att ge råd för god mätarinstallation var målet med föreliggande artikel.

Material

Den numeriska modellen byggdes från fältmätningar med HACH AV9000 där Doppler-sensorn hade emissionsvinkeln 15° och strålbredden 17° med en räckvidd för signalen av över 3,5 m. Nedstigningsbrunnarna var Φ1250; in- och utloppsrören Φ 500 med en lutning av 2 ‰. Brunnen typ 1 hade flat botten medan typ 2 hade rörpassagen helt nedsänkt relativt botten.

Ansys CFX-kod användes till CFD-beräkningarna med en luft-vatten 2-fas standard k-ɛ modell som bedömdes kunna ge en tillförlitlig 3D återgivning av vattnets passage. Beräkningssträckan sattes till 50 gånger diametern upp- och nedströms för att säkra ett fullt utbildat rörflöde. Råhet, k=0,5mm. Likformigt flöde ansattes vid övre gränsen och hydrostatisk tryckfördelning vid nedre gränsen.

Lämplig täthet för nätet provades genom beräkningar av energiförlustkoefficienten K(ΔE=K*v²/2g) och vattendjupet H i brunnen. Stabila resultat erhölls vid 1,20 *10⁶ noder, vilket valdes för fortsatta beräkningar.

Resultat

Hastighetsfördelningen i de båda brunnarna uppmättes och jämfördes med de CFD-beräknade profilerna (visas i fig). Skillnaden bestämdes till < 2 % och CFD-modellen kunde användas för fortsatta beräkningar.

För brunnstyp 1, där sektionsarean ökar påtagligt vid brunnspassagen, återfinns återcirkulerande strömmar på båda sidor om huvudströmmen. I typen 2 sker en mindre häftig expansion och kontraktion av flödet genom brunnen och energiförlusten blir mindre.  Vid hög vattenyta i brunnarna sker en varierande cirkulation i volymen ovanför genomgången som medför energiförluster och ett ökande K-värde.

När mätaren flyttades längs passagevägen kunde hastighetsförändringens K_c (v/v_m) bestämmas. För avstånd 0-ca 8 diametrar nedströms brunnen erhölls påtagliga ökningar av K för båda brunnstyperna och åtföljande beräkningsfel i modellen kunde uppgå till 40 %. Längre nedströms när hastigheten stabiliserats skedde en återgång av K_c-värdet. Uppströmsvärdena var stabila.

Slutsatser

Brunnen med nedsänkt passage dämpade effekten av plötslig expansion och kontraktion.

En uppströmsplacering av dopplermätaren är att föredra där en sådan är möjlig. En nedströmsplacering bör göras på större avstånd än 10 rördiametrar.

Nämnas kan också att Gösta Lindvalls tidiga brunnsstudier vid CTH finns med i referenslistan.

Källa: Yang, H.¹⁾, Zhu, D.Z ¹⁾ & Liu,Y.²⁾ (2018): Effect of Doppler flow meter position on discharge measurement in surcharged manholes. Water Science & Technology, 77.3, pp 647-654.

Hela artikeln i Water Science & Technology kan köpas här.

Författarna från:

1)     Department of Civil Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

och

   Department of Civil and Environmental Engineering, University of Alberta, Edmonton, AB T6G 2W2, Canada. 

2)    State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Bejing 100084, China.

Kontakt:  liuyc@mail.tsinghua.edu.cn