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超聲流量計探頭安裝位置對測量影響數值仿真研究
作者：
時(shí)間：2013-10-08
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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超聲流量計近十年發(fā)展迅速，與傳統流量計相比，具有無(wú)可動(dòng)部件、管道中無(wú)阻擋件、無(wú)壓力損失，測量范圍寬、重復性高等優(yōu)點(diǎn)，其中最為突出的優(yōu)點(diǎn)是可用于大管徑流量測量，且具有較高的測量精度。目前，多聲道超聲流量計廣泛應用于國內外大型水電站輸水管道的流量計量，以實(shí)現水輪機效率和狀態(tài)的在線(xiàn)監測。此外，美國、荷蘭、英國和德國等12個(gè)國家已將多聲道超聲流量計應用于15cm（6in）以上口徑的天然氣貿易輸送計量。我國在“西氣東輸”工程中，也正在研究將超聲流量計取代傳統的孔板流量計達到準確計量、節能降耗的目的。但在其使用過(guò)程中存在一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，即受流量標準裝置口徑的限制，無(wú)法對大口徑超聲流量計進(jìn)行實(shí)流標定。因此，近些年來(lái)研究人員也在探索對其進(jìn)行非實(shí)流標定的方法，并取得了顯著(zhù)成果。時(shí)差式超聲流量計的測量原理是基于長(cháng)度和時(shí)間這兩個(gè)基本量的結合，其導出量溯源性較好。對于符合國際標準的多聲道超聲流量計，其流量積分公式中的所有系數均是確定不變的，這為非實(shí)流標定方法精度打下了基礎。
在落實(shí)和完善非實(shí)流標定方法的過(guò)程中，存在一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題尚待研究和解決。美國國家規程（ASMEPTC18-2002）提到：超聲探頭相對于管道內壁凹陷或凸起會(huì )對測量產(chǎn)生影響。凹陷會(huì )使流場(chǎng)產(chǎn)生扭曲變形；凸起會(huì )使測量聲道的流速不完整，導致測量值偏低。一般聲道長(cháng)度為1m時(shí)會(huì )偏低0.35%，5m時(shí)偏低0.05%，這個(gè)誤差取決于超聲傳感器的設計和安裝。雖然標準中已有提及，但學(xué)者對于該方面的研究卻很少，缺乏強有力的理論分析和數據支撐。1996年VOSER通過(guò)數值仿真方法研究8聲道超聲流量計探頭插入管道內壁對測量的影響，指出當口徑大于2m且流速不低于0.1m/s時(shí)，探頭對測量的影響可以在±0.5%以?xún)?，口徑越小，探頭對流場(chǎng)的影響越嚴重，測量誤差越大。但文章中并未分析解釋造成這種影響的原因，只給出了最后的定量結論。1998年LOWELL等通過(guò)試驗方法驗證了VOSER的結論，但同樣缺少對結論的分析和解釋。2006年RENALDAS利用溫差式風(fēng)速儀對探頭凹陷在管壁的情況實(shí)測了各聲道的速度分布，指出凹槽處流動(dòng)會(huì )產(chǎn)生扭曲，破壞速度分布的對稱(chēng)性，進(jìn)而對流量測量造成影響。文中的分析是對前人研究成果的補充和解釋?zhuān)詿o(wú)法獲知探頭對管道內整個(gè)流場(chǎng)造成的影響。本文在前人研究工作的基礎上，基于實(shí)流試驗和數值仿真同時(shí)開(kāi)展研究，對探頭插入管道以及凹陷在管壁兩個(gè)典型位置進(jìn)行討論。實(shí)流試驗獲得宏觀(guān)的定量結論，且作為驗證數值仿真的基礎。再通過(guò)數值仿真從微觀(guān)上分析探頭對流場(chǎng)內部的影響，獲得探頭安裝位置對流量測量的影響規律，進(jìn)而定量給出探頭影響引入的測量誤差。
1 仿真模型建立
建模尺寸按照唐山匯中儀表公司DN50018聲道超聲流量計，聲道布置形式以及流量計算參照ASMEPTC18-2002，如圖1所示。 
圖1 DN500 18聲道超聲流量計
本文主要對探頭安裝的兩個(gè)典型位置，即全伸和全縮進(jìn)行研究，定義如圖2所示。所謂全伸為探頭的前端面全部伸入到管道內壁（圖2a）；全縮為探頭的前端面全部縮回到管道內壁（圖2b）。 
圖2 探頭安裝位置
兩個(gè)典型位置的超聲流量計建模如圖3所示，為超聲流量計安裝位置的局部放大圖。在超聲流量計上游有10D（D為管道直徑）前直管段，下游有5D后直管段，保證管道內為充分發(fā)展流動(dòng)。 
圖3 建模模型
仿真使用的是流體力學(xué)專(zhuān)用軟件Fluent和前處理軟件Gambit。為了確定網(wǎng)格、湍流模型、離散格式等關(guān)鍵參數，首先以匯中的試驗數據作為仿真方法的驗證。由于試驗裝置條件所限，只進(jìn)行了三個(gè)流量點(diǎn)的實(shí)流試驗，如表1所示為探頭全伸情況，來(lái)流速度分別為0.307m/s、1.004m/s和2.718m/s時(shí)的試驗和仿真結果對比。
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