izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2025-6-56-68izmertech-2392Research ArticleМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯMECHANICAL MEASUREMENTSМоделирование гидродинамических характеристик потока воды в блоке расходомеров с пассивной закруткой потока в трубопроводной системе поверочной установкиModeling the hydrodynamic characteristics of water flow in a flow meter block with passive flow swirl in the pipeline system of a verification facilityhttps://orcid.org/0000-0002-6706-0679ЩелчковА. В.ShchelchkovA. V.

Алексей Валентинович Щелчков

Казань

Alexey V. Shchelchkov

Kazan

lexa_kzn@mail.ruАлександровЮ. Б.AlexandrovYu. B.

Юрий Борисович Александров

Казань

Yuri B. Alexandrov

Kazan

alexwischen@rambler.ruhttps://orcid.org/0009-0001-3246-1237МиннуллинР. Р.MinnullinR. R.

Руслан Раисович Миннуллин

Казань

Ruslan R. Minnullin

Kazan

rous.06@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7250-3246ТухватуллинА. Р.TukhvatullinA. R.

Альберт Рашидович Тухватуллин

Казань

Albert R. Tukhvatullin

Kazan

vniir-etalon@bk.ruhttps://orcid.org/0009-0000-6487-9315КорнеевА. А.KorneevA. A.

Андрей Александрович Корнеев

Санкт-Петербург

Andrey A. Korneev

St. Petersburg

yak02@mail.ruКазанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ; Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии – филиал Всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Д. И. МенделееваРоссияKazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev – KAI; VNIIR – Affiliated branch of the D. I. Mendeleyev Institute for MetrologyRussian FederationКазанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИРоссияKazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev – KAIRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт расходометрии – филиал Всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Д. И. МенделееваРоссияVNIIR – Affiliated branch of the D. I. Mendeleyev Institute for MetrologyRussian FederationООО «АКТЕК»РоссияRussia Limited Liability Company “AKTEK”Russian Federation2025131220257465668Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20252025ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2392

Описаны недостатки геометрии проточной части типовой напорной трубопроводной системы и компоновки блока расходомеров из состава поверочной установки. Важной проблемой при течении потока воды по проточной части сложной геометрической формы напорной трубопроводной системы является отрыв потока на стенках, возникновение кавитации и вибраций трубопроводной системы. Предложен подход, исключающий возникновение кавитации в потоке воды и вибраций стенок участков сложной геометрической формы напорной трубопроводной системы. Это достигается в результате формирования вихревой структуры потока воды в ресиверах блока расходомеров с пассивной закруткой потока. Построены геометрическиемодели проточных частей напорных трубопроводных системи блоков расходомеров (типового и перспективного с пассивной закруткой потока). Сгенерированы адаптированные к расчётам сеточные модели высокого разрешения со сгущениемв пристеночных областях. Определеныбезразмерные координаты (локальные числаРейнольдса в ячейках), которыеможно использовать для расчётовмоделей турбулентности, основанных на осреднении уравнений НавьеСтокса по числуРейнольдса. Верификация результатов численных прогнозов выполнена по результатамэкспериментального исследования потерь давления в блоке расходомеров типовой трубопроводной системы. Выполнено численное моделирование потерь давления в блоке расходомеров с пассивной закруткой потока перспективной трубопроводной системы, по результатам которого данная система спроектирована, создана и экспериментально исследована. Оценены качество турбулентного профиля скорости потока воды в выходном поперечном сечении перспективной трубопроводной системы и влияние парной вихревой структуры в напорном трубопроводе на структуру потока и формирование профиля скорости в измерительной линии. Обоснована гидравлическая эффективность блока расходомеров с пассивной закруткой потока. Реализовано напорное однофазное (безкавитационное) течение потока воды. Представленный подход и полученные результаты можно использовать при разработке новых поверочных установок и модернизации существующих.

The article describes the defi ciencies in the fl ow geometry of a typical pressure pipeline system and the layout of a fl owmeter unit used in a verifi cation rig. A signifi cant problem with water fl ow through a complex fl ow section of a pressure pipeline system is fl ow separation at the walls, leading to cavitation and vibrations within the pipeline system. An approach is proposed that eliminates cavitation in the water fl ow and wall vibrations in complex sections of a pressure pipeline system. This is achieved by creating a vortex structure in the water fl ow in the receivers of a fl owmeter unit with passive fl ow swirl. Geometric models of the fl ow sections of pressure pipeline systems and fl owmeter units (typical and prospective with passive fl ow swirl) are constructed. High-resolution grid models with denser near-wall regions adapted for calculations are generated. Dimensionless coordinates (local Reynolds numbers in cells) are determined, which can be used to calculate turbulence models based on averaging the Navier-Stokes equations over the Reynolds number. The results of numerical predictions are verifi ed based on the results of an experimental study of pressure losses in a fl ow meter unit of a typical pipeline system. Numerical modeling of pressure losses in a fl ow meter unit with passive fl ow swirl in a prospective pipeline system was performed, based on which this system was designed, created, and experimentally studied. The quality of the turbulent water fl ow velocity profi le in the outlet cross-section of the prospective pipeline system and the effect of the paired vortex structure in the pressure pipeline on the fl ow structure and the formation of the velocity profi le in the measuring line are assessed. The hydraulic effi ciency of the fl ow meter unit with passive fl ow swirl is substantiated. A pressure single-phase (cavitation-free) water fl ow is implemented. The presented approach and the obtained results can be used in the development of new verifi cation rigs and the modernization of existing ones. Keywords: verifi cation rig, pressure fl ow, fl ow meter block, passive fl ow swirl, velocity profi le, hydraulic effi ciency.

поверочная установканапорное течениеблок расходомеровпассивная закрутка потокапрофиль скоростигидравлическая эффективностьverifi cation rigpressure fl owfl ow meter blockpassive fl ow swirlvelocity profi lehydraulic effi ciencyReferencesMenter F. R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. In Turbulence, Heat and Mass Transfer 4. Ed. K. Hajalic, Y. Nogano, M. Tummers. Begell House, Inc, 625–632 (2003).Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. In Turbulence, Heat and Mass Transfer 4. Ed. K. Hajalic, Y. Nogano, M. Tummers. Begell House, Inc, 625–632 (2003).Smirnov P. E., Menter F. Sensitization of the SST turbulence model to rotation and curvature by applying the SpalartShur correction term. Journal of Turbomachinery, 131(4), 041010 (2009). https://doi.org/10.1115/1.3070573 ; https://www.elibrary.ru/mxcllfSmirnov P. E., Menter F. Sensitization of the SST turbulence model to rotation and curvature by applying the SpalartShur correction term. Journal of Turbomachinery, 131(4), 041010 (2009). https://doi.org/10.1115/1.3070573 ; https://www.elibrary.ru/mxcllfИсаев С. А., Леонтьев А. И., Баранов П. А., Попов И. А., Щелчков А. В., Габдрахманов И. Р. Численное моделирование интенсификации теплообмена в плоскопараллельном канале с цилиндрической неглубокой лункой на нагретой стенке. Инженерно-физический журнал, 89(5), 1195–1210 (2016). https://elibrary.ru/wxkfi bIsaev S. A., Leontiev A. I., Baranov P. A., Shchelchkov A. V., Gabdrakhmanov I. P. Numerical simulation of the intensifi cation of the heat exchange in a plane-parallel channel with a cylindrical shallow dimple on the heated wall. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 89(5), 1186–1201 (2016). https://doi.org/10.1007/s10891-016-1482-9Albaina I., Esteban G. E., Bidaguren I., Izquierdo U. New switching gate diverter valve for large fl ow measurement systems. Flow Measurement and Instrumentation, 93, 102425 (2023). https://doi.org/10.1016/j.fl owmeasinst.2023.102425 ; https://www.elibrary.ru/nhbpmhAlbaina I., Esteban G. E., Bidaguren I., Izquierdo U. New switching gate diverter valve for large fl ow measurement systems. Flow Measurement and Instrumentation, 93, 102425 (2023). https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2023.102425 ; https://www.elibrary.ru/nhbpmhYang W.-L., Wang X.-G., Chen Y.-J., Shen Y.-M. Optimal fl ow characteristics and timing error of a rotary fl ow diverter. Jiliang Xuebao/Acta Metrologica Sinica, 44(4), 598–603 (2023). https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.04.16Yang W.-L., Wang X.-G., Chen Y.-J., Shen Y.-M. Optimal fl ow characteristics and timing error of a rotary fl ow diverter. Jiliang Xuebao/Acta Metrologica Sinica, 44(4), 598–603 (2023). https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.04.16Engel R., Baade H-J. Model-based fl ow diverter analysis for an improved uncertainty determination in liquid fl ow calibration facilities. Measurement Science and Technology, 21(2), 02541 (2010). https://doi.org/10.1088/0957-0233/21/2/025401Engel R., Baade H-J. Model-based fl ow diverter analysis for an improved uncertainty determination in liquid fl ow calibration facilities. Measurement Science and Technology, 21(2), 02541 (2010). https://doi.org/10.1088/0957-0233/21/2/025401Shimada T., Oda S., Terao Y., Takamoto M. Development of a new diverter system for liquid fl ow calibration facilities. Flow Measurement and Instrumentation, 14(3), 89–96 (2003). https://doi.org/10.1016/S0955-5986(03)00016-5Shimada T., Oda S., Terao Y., Takamoto M. Development of a new diverter system for liquid fl ow calibration facilities. Flow Measurement and Instrumentation, 14(3), 89–96 (2003). https://doi.org/10.1016/S0955-5986(03)00016-5Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. Москва, Наука (1991).Abramovich G. N. Applied gas dynamics. Moscow, Nauka (1991).Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Москва, Машиностроение (1992).Idelchik I. E. Handbook of hydraulic resistance. Moscow, Mashinostroenie (1992).Cordova L., Furuichi N., Lederer T. Qualifi cation of an ultrasonic fl ow meter as a transfer standard for measurements at Reynolds numbers up to 4∙106 between NMIJ and PTB. Flow Measurement and Instrumentation, 45, 28–42 (2015). https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2015.04.006Cordova L., Furuichi N., Lederer T. Qualifi cation of an ultrasonic fl ow meter as a transfer standard for measurements at Reynolds numbers up to 4∙106 between NMIJ and PTB. Flow Measurement and Instrumentation, 45, 28–42 (2015). https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2015.04.006Кириллов. И. А. Измерение расхода питательной воды реакторных установок атомных станций. Измерительная техника, (9), 33–38 (2019). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-9-33-38 ; https://www.elibrary.ru/qlszevKirillov. I. A. Measurement of feedwater fl ow rate of nuclear power plant reactors. Izmeritel`naya Tekhnika, (9), 33–38 (2019). (In Russ.) https://www.elibrary.ru/qlszevIl’in G. K., Tarasevich S. É., Shchelchkov A. V., Yakovlev A. B. Heat transfer in rough tubes with an inserted twisted tape. Heat Transfer Research, 41(1), 21–32 (2010). https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.v41.i1.20 ; https://www.elibrary.ru/mxmbsnIl’in G. K., Tarasevich S. É., Shchelchkov A. V., Yakovlev A. B. Heat transfer in rough tubes with an inserted twisted tape. Heat Transfer Research, 41(1), 21–32 (2010). https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.v41.i1.20 ; https://www.elibrary.ru/mxmbsnVan Doormaal J. P., Raithby G. D. Enhancement of the SIMPLE method for predicting incompressible fl uid fl ow. Numerical Heat Transfer, 7(2), 147–163 (1984). http://doi.org/10.1080/01495728408961817.Van Doormaal J. P., Raithby G. D. Enhancement of the SIMPLE method for predicting incompressible fl uid fl ow. Numerical Heat Transfer, 7(2), 147–163 (1984). http://doi.org/10.1080/01495728408961817.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.