翟義然，趙　勇，胡小川，劉　勛，劉　義，張　彬

（1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.成都千嘉科技有限公司，四川 成都 610211）

用CFX軟件對(duì)超聲波燃?xì)獗須怏w流道仿真研究

翟義然1，2，趙勇2，胡小川1，劉勛2，劉義2，張彬1

（1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.成都千嘉科技有限公司，四川 成都 610211）

針對(duì)超聲波燃?xì)獗淼脑瓍⒖荚O(shè)計(jì)流道和新改進(jìn)設(shè)計(jì)流道的氣體流動(dòng)特性，利用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ANSYS中的CFX軟件進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。獲得在9個(gè)不同的流量點(diǎn)上兩種超聲波燃?xì)獗淼牧鞯纼?nèi)氣體流動(dòng)仿真數(shù)據(jù)，包括兩種流道的整體流道內(nèi)及超聲波測(cè)量流道部分斜截面的氣體流動(dòng)速度分布。對(duì)仿真結(jié)果分析顯示，兩種流道在性能上基本一致，但新改進(jìn)流道在大流量和中流量上氣體流動(dòng)速度分布性能比原參考設(shè)計(jì)流道性能更好；另外，與整體流道內(nèi)氣體流動(dòng)速度分布相比，氣體流動(dòng)速度在超聲波測(cè)量斜截面分布相對(duì)更均勻和穩(wěn)定。對(duì)采用新改進(jìn)流道設(shè)計(jì)制造的超聲波燃?xì)獗順訖C(jī)進(jìn)行測(cè)試，準(zhǔn)確度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且樣機(jī)的測(cè)量誤差穩(wěn)定。

超聲波；氣體流速；CFX仿真；燃?xì)獗?/p>

0　引　言

超聲波燃?xì)獗淼墓ぷ髟硎抢贸暡▊鞑ニ俣仁苋細(xì)饬鲃?dòng)速度的影響來計(jì)量燃?xì)獾捏w流量［1-2］?；诔暡y(cè)量的超聲波燃?xì)獗砭哂畜w積小、質(zhì)量輕、壓損小、無機(jī)械部分不受機(jī)械磨損影響、計(jì)量準(zhǔn)確度高，以及可實(shí)現(xiàn)階梯計(jì)價(jià)和方便數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波燃?xì)獗硖娲F(xiàn)在廣泛使用的膜式燃?xì)獗韺⒊蔀橐环N必然。目前，歐美和日本已經(jīng)研制出用于居民燃?xì)庥?jì)量的家用超聲波燃?xì)獗?，并開始推廣應(yīng)用。我國(guó)的一些科研院所和相關(guān)企業(yè)也在開展超聲波燃?xì)獗淼难邪l(fā)工作［2］。

超聲波燃?xì)獗淼谋眢w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定著表內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)特性，而燃?xì)饬鲃?dòng)的穩(wěn)定性直接影響到超聲波燃?xì)庥?jì)量準(zhǔn)確度，實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中對(duì)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)有很大的依賴性，其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高。近年來，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD軟件在實(shí)際工業(yè)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，利用CFD各種流體模型在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仿真，研究結(jié)構(gòu)性能，可在結(jié)構(gòu)加工前使研究對(duì)象的速度場(chǎng)清晰直觀地顯示出來，因此，CFD仿真是一種理想的表體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析手段，可以縮短設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)間，提高工作效率［3-6］。ANSYS的CFX軟件是一款重要的CFD軟件，在過去20年被廣泛應(yīng)用于分析流體流動(dòng)問題［7-8］。利用CFX軟件可進(jìn)行燃燒、多相流、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜流場(chǎng)的仿真分析，廣泛用于航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、能源、汽車、電子、生物技術(shù)、水處理、防火安全、冶金、環(huán)保等領(lǐng)域。

家用超聲波燃?xì)獗淼脑瓍⒖荚O(shè)計(jì)中入口處流道過窄，不方便安裝開關(guān)閥門，而未來的家用超聲波燃?xì)獗頃?huì)因?yàn)檫\(yùn)行安全控制、電源和預(yù)付費(fèi)等原因，必須安裝開關(guān)閥門。因此，在原參考設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一款新超聲波燃?xì)獗砹鞯?，主要是增加了垂直流道部分的空間［9］。因此，有必要對(duì)原參考流道和設(shè)計(jì)的新改進(jìn)流道進(jìn)行氣體流動(dòng)性能仿真研究，以確保新改進(jìn)流道性能達(dá)到原參考流道性能要求。應(yīng)用ANSYS 15.0中的CFX軟件對(duì)燃?xì)獗砹鞯纼?nèi)部氣體流動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析［10］，模擬兩種流道在不同流量點(diǎn)下的氣體流動(dòng)，并對(duì)兩種流道的整體流道內(nèi)氣體流動(dòng)和超聲波測(cè)量斜截面上氣體流動(dòng)進(jìn)行對(duì)比研究。

1　模型建立

1.1氣體流道模型建立

CFX軟件的內(nèi)部程序是利用計(jì)算機(jī)對(duì)流體的守恒控制偏微分方程組進(jìn)行求解，進(jìn)而得到流場(chǎng)連續(xù)域上的離散分布情況，并對(duì)其流動(dòng)特性進(jìn)行模擬［7］。通過CFX仿真分析可以模擬氣體流場(chǎng)的變化，并在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流場(chǎng)的性能，進(jìn)而通過改變流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得更佳的流動(dòng)效果和測(cè)量性能。

通常采用Navier_Stokes（N-S）方程建立數(shù)學(xué)模型來模擬宏觀條件下的氣體流動(dòng)特性［11］。N-S方程包含有3個(gè)偏微分方程：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程［4］。這些方程在離散化之后可以求出數(shù)值近似解。模擬仿真以N-S方程作為數(shù)值計(jì)算的控制方程組，采用k-ε湍流模型，對(duì)超聲波燃?xì)獗韮?nèi)氣體的流動(dòng)過程進(jìn)行仿真計(jì)算。

超聲波燃?xì)獗淼膬?nèi)部流道結(jié)構(gòu)采用CAD軟件生成，腔體內(nèi)的下方部位設(shè)計(jì)有一段相對(duì)狹窄的長(zhǎng)方體多層流道結(jié)構(gòu)，可以使氣體流動(dòng)更加穩(wěn)定，超聲波就在該段流道測(cè)量氣體流動(dòng)速度。

1.2網(wǎng)格劃分

在Workbench中導(dǎo)入由CAD生成的超聲波燃?xì)獗須怏w流道結(jié)構(gòu)圖，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法對(duì)整體流道進(jìn)行網(wǎng)格化。網(wǎng)格化后的原參考流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，共得到136059個(gè)節(jié)點(diǎn)和724740個(gè)四面體。新改進(jìn)的流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，共得到133 280個(gè)節(jié)點(diǎn)和710817個(gè)四面體，z軸方向向內(nèi)。從劃分的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖中可以看出，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處和多層流道結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格劃分相對(duì)更細(xì)密，而多層流道結(jié)構(gòu)部分是本研究的重點(diǎn)，通過仿真計(jì)算可以得到超聲測(cè)量部位的氣體流動(dòng)速度分布。

圖1　整體氣體流道網(wǎng)格劃分和斜截面示意圖

2　仿真分析

2.1模型建立和邊界條件設(shè)定

假設(shè)超聲波燃?xì)獗韮?nèi)流動(dòng)的為理想氣體。設(shè)置流道的入口和出口面，如圖1所示，其他全為固體壁面。仿真模型中的氣體從入口流入，從出口流出。針對(duì)本設(shè)計(jì)中超聲波燃?xì)獗頊y(cè)量的有效測(cè)量范圍，選擇9個(gè)典型流量點(diǎn)進(jìn)行氣體流動(dòng)速度仿真，包括3個(gè)大流量、3個(gè)中流量和3個(gè)小流量，分別為6，4，2.5m3/h；1.2，0.8，0.5m3/h；0.04，0.025，0.016m3/h。仿真時(shí)根據(jù)某一個(gè)流量和出口或入口面積計(jì)算并設(shè)置相應(yīng)的氣體流動(dòng)速度。

2.2求解控制

設(shè)置收斂條件為RMS=0.0001，最大收斂迭代步數(shù)為300。

3　結(jié)果分析

3.1整體流道氣體流動(dòng)分析

首先選取流量點(diǎn)6m3/h，對(duì)原參考流道和新改進(jìn)流道分別獲得整個(gè)流道在z=0.0的xy軸向截面。原參考流道截面由11010個(gè)三角片組成，三角片上氣體流動(dòng)速度的最大值（Max）為14.49m/s，最小值（Min）為0.04 m/s；新改進(jìn)流道的該截面由10 811個(gè)三角片組成，三角片上氣體流動(dòng)速度的Max為14.35m/s，Min為0.06m/s，截面內(nèi)氣體流動(dòng)速度分布分別如圖2所示?？梢娬w流道內(nèi)氣體流動(dòng)速度分布變化范圍比較大，而參考流道和新改進(jìn)流道內(nèi)氣體整體流動(dòng)速度分布情況類似。在多層流道部分氣體流動(dòng)速度相對(duì)更快，但氣體流動(dòng)速度分布較為均勻穩(wěn)定。根據(jù)超聲波測(cè)量理論可知，均勻穩(wěn)定的氣流有利于用超聲波準(zhǔn)確測(cè)量氣體流動(dòng)速度。

圖2　原參考流道和新改進(jìn)流道整體氣體流道中xy軸向截面上氣體流動(dòng)速度分布

進(jìn)一步選取由大到小的9個(gè)流量點(diǎn)對(duì)整體流道空間進(jìn)行仿真。分別獲取原參考流道和新改進(jìn)流道在不同氣體流動(dòng)速度下的整體流道氣體流動(dòng)速度的平均值（Mean）、標(biāo)準(zhǔn)方差（Std）、Max和Min，結(jié)果如表1所示。

表1　原參考流道和新改進(jìn)流道的整體流道在9個(gè)流量點(diǎn)的氣體流動(dòng)速度仿真結(jié)果

將原參考流道和新改進(jìn)流道仿真結(jié)果中整體流道內(nèi)氣體流動(dòng)速度的Mean繪制成曲線，并在具體流量點(diǎn)上繪制出對(duì)應(yīng)的Std。得到兩種流道的整體流道內(nèi)氣體流動(dòng)速度Mean和Std曲線如圖3所示。

3.2超聲波測(cè)量斜截面的氣體流動(dòng)速度分析

超聲波測(cè)量的多層流道內(nèi)氣體流動(dòng)特性是本研究的重點(diǎn)，在圖1（b）中箭頭A的方向獲得多層流道部分的一個(gè)xz軸向截面，該截面如圖1（c）所示。兩個(gè)超聲波測(cè)量傳感器安裝在圖中所示的位置，因此，進(jìn)一步在多層流道上得到一個(gè)斜截面如圖1（d）所示，原參考流道和新改進(jìn)流道的斜截面分別被網(wǎng)格自動(dòng)劃分為180個(gè)和183個(gè)三角片單元。

在9個(gè)流量點(diǎn)獲得的仿真結(jié)果如表2所示。將原參考流道和新改進(jìn)流道氣體流動(dòng)速度Mean分別繪制曲線，并在每個(gè)流量點(diǎn)上繪制出對(duì)應(yīng)的Std，得到兩種流道超聲波測(cè)量斜截面氣體流動(dòng)速度分布Mean和Std曲線如圖3所示。

圖3　原參考流道和新改進(jìn)流道在整體流道內(nèi)和超聲波測(cè)量斜截面上氣體流動(dòng)速度Mean和Std曲線

表2　原參考流道和新改進(jìn)流道在超聲測(cè)量斜截面的9流量點(diǎn)的氣體流動(dòng)速度仿真結(jié)果

在9個(gè)流量點(diǎn)分別仿真得到兩種流道的超聲波測(cè)量斜截面氣體流動(dòng)速度分布，圖4（a）和圖4（b）分別為原參考流道和新改進(jìn)流道在流量點(diǎn)6，1.2，0.04m3/h時(shí)的各斜截面氣體流動(dòng)速度分布圖。可以看出，超聲波測(cè)量斜截面內(nèi)氣體流動(dòng)速度變化范圍不大，并且，新改進(jìn)流道斜截面氣體流動(dòng)速度分布范圍變窄。

圖4　原參考流道和新改進(jìn)流道在3個(gè)不同流量點(diǎn)的斜截面上氣體流動(dòng)速度分布

從表1、表2中可以看出，兩種流道在仿真氣體流動(dòng)速度的Mean、Std、Max和Min等參數(shù)上基本一致，能保證設(shè)計(jì)的新改進(jìn)流道與原來超聲波測(cè)量電子器件部分相匹配。進(jìn)一步對(duì)比表1中原參考流道和新改進(jìn)流道的整體流道仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在大流量和中流量時(shí)，即6～0.5m3/h 6個(gè)流量點(diǎn)，新改進(jìn)流道的整體流道內(nèi)氣體流動(dòng)Mean在大于0.5 m3/h時(shí)全部下降，Std和Max全部下降，Min有升有降，但變化相對(duì)很小。而對(duì)于小流量點(diǎn)0.04～0.016m3/h，Mean、Std、Max和Min基本保持不變，或者變化很小。再對(duì)比表2中原參考流道和新改進(jìn)流道的超聲測(cè)量斜截面仿真結(jié)果同樣可以發(fā)現(xiàn)，在大流量和中流量情況下，即6～0.5m3/h 6個(gè)流量點(diǎn)，新改進(jìn)流道的超聲測(cè)量斜截面上Mean略有升降；Std除了在6.0 m3/h略有上升，其余部分均下降；Max除了在0.8 m3/h時(shí)略有上升外，其余部分均下降；而Min則全部有所上升。而對(duì)小流量點(diǎn)0.04～0.016 m3/h，新改進(jìn)流道與原參考流道相比，仿真結(jié)果Mean、Std、Max和Min基本保持不變或變化很小。上述對(duì)比結(jié)果說明，與原參考流道相比，在大流量和中流量點(diǎn)時(shí)，新改進(jìn)流道在整體流道和超聲測(cè)量部分流道氣體流動(dòng)速度分布范圍基本上變得更小，說明氣體流動(dòng)更為穩(wěn)定，這有助于超聲波在大流量和中流量時(shí)更準(zhǔn)確測(cè)量氣體流動(dòng)速度；而小流量部分兩種流道仿真數(shù)據(jù)基本一致。

在各個(gè)流量點(diǎn)，超聲波測(cè)量的斜截面上的氣體流動(dòng)速度與整體流道內(nèi)的氣體流動(dòng)速度相比，平均氣體流動(dòng)速度更高，而相對(duì)應(yīng)的氣體流動(dòng)速度Max和Min更接近平均氣體流動(dòng)速度，Std更小，即氣體流動(dòng)速度變化范圍更小。該結(jié)論同樣也可以從圖3中整體流道內(nèi)和超聲波測(cè)量斜截面上氣體流動(dòng)速度分布Mean和Std曲線得到。因此，超聲波測(cè)量的多層流道內(nèi)氣體流動(dòng)相對(duì)整體流道更加平穩(wěn)，從而為超聲波的準(zhǔn)確測(cè)量提供了更好的條件。

3.3采用新改進(jìn)流道設(shè)計(jì)樣機(jī)實(shí)際測(cè)試結(jié)果

采用新改進(jìn)流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)做出一款超聲波燃?xì)獗順訖C(jī)，在環(huán)境溫度為20.5℃，濕度76%RH條件下進(jìn)行兩次測(cè)試，在9個(gè)流量點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如表3所示。實(shí)際樣機(jī)測(cè)試結(jié)果滿足大流量和中流量點(diǎn)誤差＜1.5%和小流量點(diǎn)誤差＜3%的1.5級(jí)超聲波燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)要求。而且對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出超聲波燃?xì)獗順訖C(jī)的兩次測(cè)量誤差穩(wěn)定。

表3　用新改進(jìn)流道設(shè)計(jì)的超聲波燃?xì)獗順訖C(jī)測(cè)試結(jié)果

4　結(jié)束語

對(duì)比原來參考設(shè)計(jì)的和新改進(jìn)設(shè)計(jì)的兩種超聲波燃?xì)獗韮?nèi)部結(jié)構(gòu)，用ANSYS的CFX仿真軟件進(jìn)行了氣體流體力學(xué)仿真研究，對(duì)原參考流道和新改進(jìn)流道分別獲得了整體流道的和超聲波測(cè)量斜截面的氣體流動(dòng)速度分布數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，新改進(jìn)流道與原參考流道的氣體流動(dòng)性能基本一致，并且新改進(jìn)流道在大流量和中流量時(shí)能獲得更加平穩(wěn)的氣體流動(dòng)速度。對(duì)采用新改進(jìn)流道設(shè)計(jì)制造的超聲波燃?xì)獗順訖C(jī)初步測(cè)試，結(jié)果顯示在9個(gè)流量點(diǎn)都能滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度要求，而且兩次測(cè)量的誤差值相差不大，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定。相關(guān)研究成果為改進(jìn)超聲波燃?xì)獗淼膬?nèi)部氣體流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)，也可為提高超聲波氣體測(cè)量的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確性提供一定的保障。

［1］LYNNWORTH L C，LIU Y.Ultrasonic flowmeters：halfcentury progress report，1955—2005［J］.Ultrasonics，2006（44）：1371-1378.

［2］于洋，宗光華，丁鳳林.超聲波流量測(cè)量中流速計(jì)算方法的對(duì)比［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（1）：37-41.

［3］BERNARDOS，MORIM，PERESA P，et al.3-D computational fluid dynamics for gas and gas-particle flows in a cyclone with different inlet section angles［J］. Powder Technology，2006，162（3）：190-200.

［4］高井輝.基于CFX的離心式壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值研究［D］.沈陽：大連理工大學(xué)，2011.

［5］姚美紅，張恒峰.基于CFX的氣體靜壓軸承數(shù)值研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（22）：2681-2683.

［6］JIA H Y，KONG J Y，ZHOU S Z，et al.Study on the method for CFX numerical simulation of flow field in screw conveyer of sand fracturing blender［J］.Applied Mechanics and Materials，2013（318）：207-211.

［7］謝龍漢，趙新宇，張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012：104-112.

［8］李麗丹，李聲.基于CFX和Workbench的數(shù)值仿真技術(shù)［J］.中國(guó)測(cè)試，2010，36（5）：79-83.

［9］梅景康裕，乾善紀(jì)，長(zhǎng)岡行夫，等.超聲波流體測(cè)量裝置：200480004936.6［P］.2008-07-16.

［10］朱紅鈞.ANSYS 15.0幾何建模與網(wǎng)格劃分實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：人民郵電出版社，2014：79-83.

［11］范晉偉，李海涌，陳東菊，等.基于速度滑移的氣膜流態(tài)建模與CFX仿真分析［J］.潤(rùn)滑與密封，2012，37（12）：22-26.

（編輯：李妮）

Simulation study of gas flowing channel of ultrasonic gas meter based on CFX software

ZHAI Yiran1，2，ZHAO Yong2，HU Xiaochuan1，LIU Xun2，LIU Yi2，ZHANG Bin1
（1.College of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Chengdu Qianjia Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610211，China）

The gas fluid dynamics of an originally suggested flowing channel and an improved flowing channel were simulated by the CFX software of ANSYS.Gas flowing velocities at 9 typical flow points were calculated and analyzed，including the gas velocity distribution of both the whole flowing channel and the oblique section of ultrasonic measurement.The simulation results indicate that the two channels are almost the same in performance.But the improved channel is better in gas velocity distribution at maximal and middle flowing points.Moreover，the simulation results show that，compared with the gas velocity distribution inside the whole channel，the oblique section where ultrasonic wave passes through is more uniform and stable.The test accuracy of an ultrasonic gas meter，a prototype with the improved flowing channel meets the design requirements and the measuring error is stable.

ultrasonic；gas velocity；CFX simulation；gas meter

A

1674-5124（2016）05-0135-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.028

2015-11-17；

2015-12-12

翟義然（1973-），男，河北承德市人，高級(jí)工程師，博士，主要從事信息與信號(hào)處理方面的研究。