李晶晶, 吳 波 , 史慧超, 陳云龍， 黎光芳, 孟曉煒

(1.北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029； 2.廣州能源檢測(cè)研究院，廣東 廣州 511447；3.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029； 4.北京華科儀科技股份有限公司，北京 100076；5.北京市通州區(qū)計(jì)量檢測(cè)所,北京 101100)

超聲流量計(jì)作為一種流量測(cè)量?jī)x表，具有非接觸測(cè)量、無可動(dòng)擾流件、無壓損、適用管徑和流體范圍廣等優(yōu)勢(shì)[1-4]。超聲流量計(jì)主要由安裝在測(cè)量管道上的超聲換能器、轉(zhuǎn)換器和流量顯示和累計(jì)系統(tǒng)組成，通過檢測(cè)超聲波脈沖信號(hào)在運(yùn)動(dòng)流體中沿順流方向和逆流方向傳播的時(shí)差、相位差或頻差計(jì)算出流速與流量，其中外夾式超聲流量計(jì)安裝方便，已經(jīng)被廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的流量測(cè)量中[5-6]。

超聲流量計(jì)的測(cè)流精度主要受流體介質(zhì)種類、流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)、雜質(zhì)氣泡、管道結(jié)構(gòu)、管道材質(zhì)和換能器安裝位置等多項(xiàng)因素影響。然而實(shí)際流量檢測(cè)過程中，由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)空間和管道鋪設(shè)成本受限，往往遇到超聲流量計(jì)距離擾流件較近的情況。根據(jù)擾流件類型(閥門、彎頭、漸擴(kuò)管、漸縮管等)和影響機(jī)理的不同，超聲流量計(jì)管路內(nèi)的流場(chǎng)分布也會(huì)發(fā)生復(fù)雜變化，進(jìn)而引起測(cè)量誤差[7-8]。超聲流量計(jì)測(cè)量誤差與流場(chǎng)條件密切相關(guān)，其中閥門對(duì)下游流場(chǎng)有較大的擾動(dòng)作用，尤其是閥門開度較小時(shí)，距離閥門較近處會(huì)形成強(qiáng)烈的橫向流動(dòng)，使得超聲流量計(jì)測(cè)量誤差顯著增大[9]。

閥門等擾流件對(duì)超聲流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響主要是由擾流件引起的流場(chǎng)分布變化造成的[10-11]。目前，由于缺少準(zhǔn)確測(cè)量管道內(nèi)流場(chǎng)分布的方法，對(duì)以上問題主要通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法對(duì)擾流件造成的流場(chǎng)分布開展數(shù)值仿真研究，在此基礎(chǔ)上結(jié)合超聲流量計(jì)測(cè)量原理，研究超聲流量計(jì)測(cè)量誤差與流場(chǎng)特性之間的關(guān)系[12]，以及聲道位置、安裝角度和上游直管段長(zhǎng)度對(duì)流量計(jì)性能的影響[13-14]，進(jìn)而計(jì)算得到流量計(jì)測(cè)量誤差[15]。

通過CFD仿真方法對(duì)閘閥在一定開度時(shí)管路內(nèi)流場(chǎng)分布情況進(jìn)行數(shù)值仿真分析，在此基礎(chǔ)上選取不同位置處多個(gè)截面，研究了閘閥前后不同位置處流場(chǎng)改變引起的流速變化情況，并且在多個(gè)不同位置分別提取8個(gè)聲道上的線平均速度進(jìn)行比較，研究不同聲道設(shè)置時(shí)流量計(jì)測(cè)量誤差的變化情況。最后，通過外夾超聲流量計(jì)流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)CFD仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 外夾式超聲流量計(jì)測(cè)量原理

以時(shí)差法外夾式超聲波流量計(jì)中常用的V法安裝為例，其測(cè)量原理如圖1所示。通過檢測(cè)超聲波脈沖信號(hào)在運(yùn)動(dòng)流體中沿順流方向和逆流方向傳播的時(shí)間差可以算出流速，進(jìn)而計(jì)算出管道內(nèi)的流量。

圖1 V法超聲流量計(jì)測(cè)量原理示意圖

圖1中，L1為管壁厚度，L2為聲波從換能器至上內(nèi)管壁時(shí)的水平傳播距離，L3為聲波從上內(nèi)管壁至下內(nèi)管壁時(shí)的水平傳播距離；D為管道外徑，d為管內(nèi)徑；θ1為超聲波在管材中的折射角，θ2為超聲波在流體中的折射角。

當(dāng)換能器TRA、TRB安裝完成之后，超聲波入射角θ0確定為恒定值。由于管路內(nèi)流體流動(dòng)，兩臺(tái)換能器接收到超聲往返信號(hào)的時(shí)間不同，存在一個(gè)時(shí)差Δt。若超聲波順流時(shí)從TRA到達(dá)TRB所需的時(shí)間為t1，逆流時(shí)從TRB到達(dá)TRA所需的時(shí)間為t2，則有：

(1)

(2)

式中:τ1、τ2分別為超聲波換能器斜楔及電路延時(shí)；c0為超聲波在被檢測(cè)流體中的聲速；cg為超聲波在管壁中的聲速。通常認(rèn)為延時(shí)參量τ1和τ2近似是相等的，則聲道線平均流速v的表達(dá)式如下：

(3)

(4)

式中:k為流量修正系數(shù)，它主要受雷諾數(shù)Re與管路流場(chǎng)分布的影響。其表達(dá)式為

(5)

根據(jù)外夾式超聲流量計(jì)的測(cè)流原理可知，管道結(jié)構(gòu)參數(shù)與流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化均會(huì)使超聲流量計(jì)的測(cè)量產(chǎn)生偏差。而當(dāng)超聲流量計(jì)距離閥門較近時(shí)，管路內(nèi)流場(chǎng)受閥門開度改變發(fā)生畸變，隨著流速的加劇，流場(chǎng)分布趨于復(fù)雜并產(chǎn)生具有干擾作用的橫向渦流，使線平均流速v的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，這樣計(jì)算得到的體積流量誤差較大。

2 閘閥擾流流場(chǎng)的CFD仿真研究

2.1 CFD結(jié)構(gòu)模型及其網(wǎng)格圖

閘閥是影響外夾式超聲流量計(jì)實(shí)際測(cè)量過程最常見的阻流件之一，它的存在會(huì)大幅削弱流量計(jì)的測(cè)量能力。通常隨著閥門開度與管段直徑的增大，管道流場(chǎng)分布將逐漸趨于穩(wěn)定，流量計(jì)的測(cè)量精度也隨之提升。為了進(jìn)一步探究閘閥擾流流場(chǎng)對(duì)超聲流量計(jì)測(cè)流結(jié)果的影響，基于CFD數(shù)值仿真方法開展了相關(guān)研究工作。

根據(jù)實(shí)際實(shí)流實(shí)驗(yàn)建立CFD仿真分析模型，計(jì)算模型選取直徑為DN200的管路，管路總長(zhǎng)度為42D；閥門選用閘閥，開度設(shè)置為50%；管道內(nèi)流體介質(zhì)選取水，與實(shí)流實(shí)驗(yàn)一致。仿真過程不考慮介質(zhì)溫度影響，介質(zhì)參數(shù)按常溫下水的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。管路結(jié)構(gòu)示意圖和CFD模型如圖2所示。

圖2 管路結(jié)構(gòu)與CFD建模示意圖

仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置管道入口為無壓力的速度入口，介質(zhì)流速設(shè)置為0.3 m/s，管道水力學(xué)半徑按實(shí)際管徑設(shè)置，出口為選取壓力出口，計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型。CFD中建立的50%開度閘閥去除管壁后的仿真模型和網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 50%開度閘閥及網(wǎng)格模型

經(jīng)過CFD仿真計(jì)算得到管道內(nèi)-10D、5D、17.5D、30D共4個(gè)位置截面上的流速分布如圖4所示。

圖4 50%開度、0.3 m/s條件下管道內(nèi)不同位置處流速分布

從圖4中不同位置截面的流速分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，CFD仿真結(jié)果中的入口處流速分布均勻，符合速度設(shè)定要求，而閘閥后流速出現(xiàn)畸變，并且速度分布情況隨著遠(yuǎn)離閘閥距離的增大逐漸得到改善，在30D前后恢復(fù)成比較理想的分布狀態(tài)。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過CFD仿真計(jì)算，以閘閥右側(cè)法蘭端面為零基面，從該基面到入口截面每隔2D取一個(gè)截面；閘閥后5D范圍內(nèi)，每隔1D取一個(gè)截面；之后直到出口截面前每隔2D取一個(gè)截面。各截面取好之后分別提取以截面為中間平面的水平方向單聲道平均流速以及入口出口截面水平直徑線上的平均速度，獲得的各聲道平均流速如圖5所示。由圖5可知，在閘閥之前直管段內(nèi)流速?gòu)娜肟谔庨_始略有升高，直到50%開度的閘閥處流速開始流速急劇下降；閘閥后5D范圍內(nèi)流場(chǎng)不再穩(wěn)定，流速變化較大，流量計(jì)測(cè)量誤差也較大；距離超過5D之后，經(jīng)過后續(xù)管路的整流作用，流速逐漸接近設(shè)定值。

圖5 50%開度時(shí)管道內(nèi)不同位置處單聲道線平均流速

為了研究不同聲道對(duì)超聲流量測(cè)量誤差的影響，CFD仿真分析時(shí)在-10D、5D、17.5D、30D這4個(gè)位置處分別設(shè)置了8個(gè)聲道，每個(gè)聲道根據(jù)實(shí)流實(shí)驗(yàn)管徑DN200設(shè)置成V形聲道，聲道中面即同組兩個(gè)換能器之間的中間位置為選定的管道位置。8聲道沿管壁布置方式如圖6所示。其中，聲道1和聲道2沿水平方向?qū)ΨQ布置，聲道5和聲道6沿垂直方向?qū)ΨQ布置，聲道3和聲道4沿斜45°方向?qū)ΨQ分布，聲道7和聲道8沿斜135°方向?qū)ΨQ分布。

圖6 8聲道沿管壁布置方式示意圖

基于CFD計(jì)算結(jié)果，在后處理時(shí)分別提取-10D、5D、17.5D、30D這4個(gè)位置處各聲道上的線平均速度進(jìn)行比較。分別以閘閥前-10D處各聲道上的線平均速度為基準(zhǔn)流速，計(jì)算各聲道線平均聲速的流速誤差。各位置處不同聲道的線平均流速誤差如圖7所示。由圖7可知，5D處不同聲道的測(cè)量誤差相差較大，這說明50%開度閘閥引起的管路內(nèi)流場(chǎng)畸變?cè)?D位置處還未恢復(fù)至較小水平。相對(duì)而言，17.5D和30D處各個(gè)聲道的測(cè)量誤差已經(jīng)非常接近，這說明50%開度閘閥引起的管路內(nèi)流場(chǎng)畸變?cè)?7.5D和以后位置處已恢復(fù)到較小水平，此時(shí)聲道選取方式對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小。此外，從圖7中也可以發(fā)現(xiàn)，在5D位置處聲道1和聲道2受流場(chǎng)變化影響相對(duì)較小，聲道3、聲道4、聲道7和聲道8受流場(chǎng)變化影響處在同一水平，而聲道5和聲道6受流場(chǎng)變化影響相對(duì)較大。

圖7 不同位置處各聲道線平均流速誤差曲線

3 擾流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)CFD仿真分析結(jié)果，選擇聲道1、聲道2、聲道3和聲道4進(jìn)行超聲流量計(jì)流量實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，管路內(nèi)流體介質(zhì)選取水，管道平均流速為0.3 m/s。超聲流量計(jì)選擇唐山匯中外夾式超聲流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院流量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置為水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，流量范圍為0.3～500 m3/h，可對(duì)內(nèi)徑65～200 mm的流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。該實(shí)驗(yàn)裝置的原理為靜態(tài)質(zhì)量法，其最佳不確定度可達(dá)0.05%(k=2)。

根據(jù)CFD仿真分析結(jié)果，分別采用水平布置的聲道1、聲道2和斜45°布置的聲道3、聲道4進(jìn)行超聲流量計(jì)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)管路和外夾超聲安裝位置如圖8所示。分別對(duì)水平布置的兩個(gè)聲道和斜45°布置的兩個(gè)聲道的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均。超聲流量計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖9所示。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，5D位置水平布置的聲道與斜45°布置的聲道的測(cè)量誤差具有較大的差異，這說明50%開度閘閥管路中5D距離內(nèi)引起流場(chǎng)畸變較大，而且在5D位置處還未恢復(fù)至較好水平，此時(shí)聲道選取方式對(duì)于測(cè)量結(jié)果具有一定影響。而對(duì)于17.5D和30D兩個(gè)位置，水平布置的聲道與斜45°布置的聲道的測(cè)量誤差非常接近，這說明50%開度閘閥引起的管道內(nèi)流場(chǎng)畸變?cè)?7.5D和以后位置處已恢復(fù)到較低水平，此時(shí)聲道選取方式對(duì)于測(cè)量結(jié)果影響較小。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真計(jì)算結(jié)果一致。

圖8 實(shí)驗(yàn)管路及外夾式超聲流量計(jì)安裝位置示意圖

圖9 CFD仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文利用CFD方法對(duì)閘閥在50%開度條件下管路內(nèi)流場(chǎng)的分布情況進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，在此基礎(chǔ)上選取不同位置處多個(gè)聲道線平均流速進(jìn)行比較，開展了相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)試，形成的結(jié)論如下：

① 在閘閥之前直管段內(nèi)流速較為穩(wěn)定，但在閘閥后5D范圍內(nèi)發(fā)生較大流場(chǎng)畸變，該范圍內(nèi)測(cè)得聲道線平均流速具有較大誤差，而且選取不同聲道時(shí)獲得的測(cè)量誤差差異較大。

② 閘閥下游5D距離之后，經(jīng)過管路的穩(wěn)流作用，流場(chǎng)畸變逐漸減小至穩(wěn)定狀態(tài)，下游17.5D位置之后，聲道選取方式對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響較小。