超聲波流量計(jì)概述及流場數(shù)值模擬研究

林 棋，陳子鑫，張義勇，肖 俏，楊志遠(yuǎn)，白雪峰

中油國際管道有限公司中烏項(xiàng)目 （北京 100007）

測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計(jì)/表，是工業(yè)測量中重要的儀表之一。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對流量測量準(zhǔn)確度及范圍的要求越來越高，相關(guān)測量技術(shù)也日新月異，為適應(yīng)不同用途，各種類型的流量計(jì)也相繼問世。根據(jù)當(dāng)前流量計(jì)的測量方法，大致可分為以下4類：差壓式流量計(jì)、速度式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、質(zhì)量式流量計(jì)。其中速度式流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用中主要有：渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)以及時(shí)差式超聲波流量計(jì)[1-2]。

1 氣體超聲波流量計(jì)概述

1.1 測量原理

超聲波流量計(jì)是采用超聲波檢測技術(shù)測定氣體流量，通過測量超聲波沿氣流順向和逆向傳播的聲速差、檢測的壓力/溫度，計(jì)算氣體流速及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的流量（圖1）。通過對現(xiàn)場連續(xù)測量得到的瞬時(shí)流量進(jìn)行累計(jì)，即可求得管道內(nèi)氣體的累積流量，具體相關(guān)計(jì)算方程組見式（1）～式（6）。

圖1 超聲波流量計(jì)

式中：tud為從傳感器U到D的傳輸時(shí)間，s；tdu為從傳感器D到U的傳輸時(shí)間，s；L為傳感器U到D的聲程，m；X為傳感器面之間的截距，m；C為工況條件下氣體中的聲速，m/s；Vi為聲道間的流體速度，m/s；θ為聲道與管道軸線的夾角，（°）；D為管道直徑，m；Q為工況條件下氣體的瞬時(shí)流量，m3/s；Q0為標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體的瞬時(shí)流量，m3/s；P、T、Z分別為管道工況條件下氣體的壓力、溫度和壓縮因子；P0、T0、Z0分別為標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體的壓力、溫度和壓縮因子[3-4]。

上述6個(gè)基本算式即為速差法流量測量的基本原理表達(dá)式。從式（4）可知：速差法測量的流速Vi與媒質(zhì)的聲速C無關(guān)，這對于生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際測量是十分有利的。由測得的管道中的氣體流速，可以得到工況條件下氣體的瞬時(shí)流量Q，及轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體的瞬時(shí)流量Q0。

圖2 單聲道的基本形式組合（三視圖）

圖3 多聲道的組合形式

表1 聲道形式的優(yōu)缺點(diǎn)對比

1.2 系統(tǒng)組成及聲道的類型

氣體超聲波流量計(jì)系統(tǒng)主要包括：①標(biāo)準(zhǔn)表體；②換能器；③智能轉(zhuǎn)換器；④流量計(jì)前后直管段（一般為前10D、后5D）；⑤溫度變送器；⑥壓力變送器；⑦流動(dòng)調(diào)整器（根據(jù)實(shí)際情況選配安裝）。

聲道是換能器聲波所通過的路徑，它的長短是由換能器的信號、儀器所需準(zhǔn)確度等級，以及轉(zhuǎn)換器中的計(jì)時(shí)精度決定的。聲道的形式及數(shù)量是由現(xiàn)場工藝管道中的阻力件位置、前后直管段的長度以及用戶對儀器的可靠性來決定的。國內(nèi)外常見的超聲波通道形式有直射式、單反射式、雙反射式（圖2），聲道形式的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1；常見的多聲道組合形式如圖3所示，聲道數(shù)量的應(yīng)用對比見表2。

1.3 功能特點(diǎn)

超聲波流量計(jì)與其它流量計(jì)相比具備以下6個(gè)特性。

1）可測量氣體雙向流量，測量精度高、測量范圍寬、量程比大(一般在1:30～1:100)；

2）可測量穩(wěn)態(tài)及低頻脈動(dòng)氣流流量，在氣體介質(zhì)較惡劣的情況下也可實(shí)現(xiàn)正常使用；

3）基于聲速差原理直接測量氣體流速/流量，故不受介質(zhì)成份變化的影響，適用于各種不同氣體及管徑；

4）無流阻部件，壓力損失較??；

5）多聲道的測量，能有效地減小不穩(wěn)定發(fā)展流場對測量結(jié)果的影響，并能在一個(gè)聲道出現(xiàn)故障時(shí)繼續(xù)用其他正常聲道進(jìn)行有效測量，由此提高儀器的準(zhǔn)確度及可靠性；

2.2 土壩壩體的應(yīng)力分布規(guī)律，土壩具有梯形斷面的條形建筑物，通過對土壩壩體的原形觀測及有限元分析，壩體內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律一般如下：在壩軸線附近，土壩的豎向應(yīng)力σi略小于土柱的自重壓力，土壩橫剖面的水平應(yīng)力σx，比豎向應(yīng)力 σy小，約等于(0.3-0.5)σy，(即 側(cè) 壓 力 系 數(shù) 為0.3-0.5)。土壩填筑質(zhì)量愈差，則側(cè)壓力系數(shù)愈小，壩頂部一定高度σx∶還會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。土壩的縱剖面的水平應(yīng)力為σz二介于σx和σy之間。一般情況，土壩壩體壓應(yīng)力符合σy＞σz＞σx的規(guī)律。根據(jù)土壩壩體的應(yīng)力分布情況，利用水力劈裂原理，在壩軸線附近沿小主應(yīng)力面布置灌漿孔。泥漿就容易沿這個(gè)平面將壩體劈開。

6）轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路和系統(tǒng)軟件能對管道中氣體溫度/壓力變化進(jìn)行有效修正。

表2 聲道數(shù)量的應(yīng)用對比

2 超聲波計(jì)量管段數(shù)值建模

超聲流量計(jì)的自身特點(diǎn)使其在使用中對現(xiàn)場應(yīng)用條件有一定要求，否則將影響計(jì)量精度，這一點(diǎn)對設(shè)計(jì)、安裝和使用尤為重要。影響氣體超聲流量計(jì)精度的因素包括：基于流態(tài)的管段流速選擇、測量短截的幾何尺寸誤差、聲時(shí)測量誤差、溫度/壓力測量誤差、管道粗糙度變化引起的測量誤差、信號衰減或受到外界噪聲干擾時(shí)造成的誤觸發(fā)誤差、氣流脈動(dòng)引起的測量誤差、流場分布畸變誤差[5]。

關(guān)于流場分布畸變，主要原因?yàn)楣艿乐械牧髁空{(diào)節(jié)閥、彎管、旁通、管道法蘭連接處的錯(cuò)位等引起流場變化或產(chǎn)生渦流及其他橫向流，從而引起測量誤差。為了提高流量測量精度，可采用多通道超聲測量方法來克服流場畸變產(chǎn)生的影響（圖4）。另外，在測量段的上下游保證安裝一定長度的直管段或整流段，可以防止產(chǎn)生渦流，也是提高計(jì)量可靠性的有效方法。

圖4 基于克服流場畸變的多通道超聲測量方法示意圖

為了探究現(xiàn)場計(jì)量橇中超聲波流量計(jì)測量區(qū)域及上下游管段的內(nèi)部流場分布，選取某輸氣管道某分輸計(jì)量站為研究對象，利用數(shù)值模擬軟件ANSYS-CFX，針對該站站內(nèi)的計(jì)量支路管段展開內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究，同時(shí)進(jìn)一步論證流量計(jì)上游整流器安裝位置的合理性。該分輸站使用兩臺(tái)流量計(jì)成橇安裝，一用一備，口徑DN150 mm，流量范圍66～1 900 m3/h，工作壓力0.8～5.0 MPa，介質(zhì)溫度0～30℃。上游直管段30D，前10D處加有流動(dòng)調(diào)整器，下游直管段10D。

2.1 幾何建模

采用Solidworks三維繪制軟件對計(jì)量橇管段進(jìn)行1:1幾何建模，如圖5（a）所示[6]。主要幾何體包括：進(jìn)氣管段、集氣匯管、計(jì)量管路支線、整流器、流量計(jì)檢測管段、出氣管段。其中，整流器幾何模型嚴(yán)格按照資料數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，如圖5（b）所示。

圖5 計(jì)量橇管段幾何建模

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Gambit網(wǎng)格劃分軟件對2.1節(jié)中的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高后期數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，對計(jì)量橇管段進(jìn)行分割劃塊（圖6），在整流器及其前后0.25 m管段計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理（整流器網(wǎng)格初始大小為2 mm，以1.1增長比率向兩側(cè)擴(kuò)張，上限值為10 mm）。模型總網(wǎng)格數(shù)量約為200萬，網(wǎng)格質(zhì)量為0.798 2。

圖6 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

2.3 CFX數(shù)值模擬

將網(wǎng)格導(dǎo)入CFX數(shù)值模擬軟件。在CFX-Pre前處理器中，進(jìn)行初始條件的設(shè)定，介質(zhì)選取25℃空氣，入口定壓3.5 MPa，出口定流20 m/s；在CFXSolver求解器中，定義其求解計(jì)算方法，計(jì)算時(shí)步（最大計(jì)算時(shí)步2 000），監(jiān)測數(shù)據(jù)以及計(jì)算殘差（殘差設(shè)定為10-5），經(jīng)求解達(dá)到穩(wěn)定收斂狀態(tài)；最后在CFD-Post后處理器中，處理得到計(jì)算區(qū)域中任何線、面、體上的變量云圖（速度、壓力、溫度等）、流線、速度矢量圖、湍流動(dòng)能及耗散率等[7]，同時(shí)可以繪制管段沿線的變量變化曲線。本數(shù)值模型的部分計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 橫向剖面速度云圖（整流器前）

3 基于CFX的超聲波計(jì)量管段流場分析

3.1 現(xiàn)場實(shí)際模型

現(xiàn)場初始模型為：流量計(jì)檢測管段的上游直管長度30D（4.5 m），前10D（1.5 m）處加有流動(dòng)調(diào)整器，下游直管段10D（1.5 m），為了盡量避免出口回流對流場造成的影響，模型中的下游直管段長度選取2.5 m。計(jì)算工況如2.3節(jié)所述，計(jì)算結(jié)果如圖7～圖11所示。

圖8 速度矢量云圖（整流器）

由圖7～圖8可知：氣體流經(jīng)集氣管段時(shí)，形成強(qiáng)烈的渦流，故在進(jìn)入支線管路時(shí)存在嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象，當(dāng)此股偏流流經(jīng)整流器后，流場基本恢復(fù)軸對稱穩(wěn)定流動(dòng)。由此可定性判定，流體流經(jīng)整流器后，在檢測管段的流場便基本穩(wěn)定。

圖9 整流器剖面速度云圖

為了進(jìn)一步分析，圖9選取了兩個(gè)整流器的剖面，近距離觀察其速度云。結(jié)果顯示整流器前確實(shí)存在偏流現(xiàn)象，但整流器后速度分布均勻，僅因孔口的影響，在孔板后局部形成5個(gè)高流速駝峰及2個(gè)低流速渦流。同時(shí)結(jié)合圖10、圖11速度及湍流動(dòng)能變化曲線可知：檢測管段的速度場基本穩(wěn)定，在整流器后5D管段內(nèi)存在較小的不穩(wěn)定流動(dòng)外，其他均不存在偏流現(xiàn)象，故現(xiàn)場整流器的安裝位置為10D是比較合理的。

圖10 管段沿線速度變化曲線

圖11 管段沿線湍流動(dòng)能變化曲線

3.2 整流器位置變化模型

為了判別增大間距（整流器與檢測管段的距離）對檢測管段流場的影響，對計(jì)量橇管段模型進(jìn)行整流器位置調(diào)整。整流器與檢測管段的間距由10D增大到15D，其他模型及運(yùn)行工況與初始模型一致。計(jì)算結(jié)果表明：其流場特性與初始模型基本一致（圖12）。

圖12 整流器剖面速度云圖

為了更為準(zhǔn)確地觀測兩種模型的流場特性，繪制了部分變量的沿線變化曲線。由圖13、圖14可知，流體在匯管段及整流器前管段的流速，在X、Y、Z方向均存在較大的波動(dòng)，其中沿軸向的振幅最大，徑向Y方向的振幅次之，徑向Z方向振幅最弱。而在整流器后管段，徑向（Y、Z）的分速度變?yōu)榱?，軸向速度也基本趨于穩(wěn)定（在前5D管段內(nèi)存在微弱的波動(dòng)），由此也說明了此時(shí)流場已基本發(fā)展為穩(wěn)定流動(dòng)。由圖15可知，增大整流器與檢測管段的間距后，檢測管段內(nèi)的流場更為穩(wěn)定，但由于初始模型檢測管段的流場已基本穩(wěn)定，故增大間距對提高本模型檢測管段流場穩(wěn)定性的作用不大。

圖13 徑向速度變化曲線

圖14 沿線速度變化曲線

4 結(jié)論

1）超聲波流量計(jì)作為速度式流量計(jì)主要工業(yè)應(yīng)用類型之一，測量不受介質(zhì)成份變化影響，無流阻部件，適用于各種不同氣體及管徑，具有測量精度高、范圍寬、量程比大等特點(diǎn)。同時(shí)，聲道形式及組合的多樣性可進(jìn)一步提高儀器的準(zhǔn)確度及可靠性。

2）基于ANSYS-CFX的超聲波計(jì)量管段流場數(shù)值模擬，可求解氣流在模型區(qū)域中任何線、面、體上的變量云圖（速度/壓力/溫度等）、流線、速度矢量圖、湍流動(dòng)能及耗散率等，實(shí)現(xiàn)對計(jì)量管段內(nèi)部的流場分析。

3）由模擬工況中的湍流流動(dòng)變化分析可知，整流器下游5D管段內(nèi)存在一定程度不穩(wěn)定流動(dòng)，在10D以上安裝位置時(shí)可保證流體流經(jīng)整流器到達(dá)下游檢測管段時(shí)已發(fā)展成理想紊流流場。

4）借助數(shù)值模擬方法，可有效判斷計(jì)量橇管段內(nèi)部是否存在流場畸變、渦流及其他橫向流，為現(xiàn)場計(jì)量系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)及改造提供一定參考依據(jù)，從而盡可能消除流場分布畸變造成的超聲波計(jì)量誤差。