管道流體流量的超聲波測(cè)量方法

邵俊杰

摘要：針對(duì)流體流量的測(cè)量方法非常多，但因流體流量黏度較高的特殊性，使得其測(cè)定結(jié)果并不能夠滿足實(shí)際的工業(yè)高精度需求。本研究結(jié)合流體流量的特性，提出了超聲波測(cè)量方法，并以T型管、變徑管作為阻流件，通過(guò)幾何模型、FLUENT仿真實(shí)驗(yàn)，分析了非理想狀態(tài)下超聲波測(cè)量流體流量的準(zhǔn)確度。結(jié)果證實(shí)，超聲波在阻流件下游10D、20D位置以及不同黏度情況下，均具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：管道;流體流量;超聲波流量計(jì);位置;黏度

管道內(nèi)流體流量是一種能夠充分體現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行情況的重要指標(biāo)，為此，在工業(yè)生產(chǎn)與實(shí)際工程運(yùn)行期間，都非常重視管道內(nèi)流體流量的測(cè)定。目前，在對(duì)管道內(nèi)流體流量實(shí)施測(cè)量時(shí)，其方法非常多，包括了渦街測(cè)量法、超聲測(cè)量法以及熱式測(cè)量法等[1]。但針對(duì)一部分對(duì)結(jié)構(gòu)完備性有著較高要求或者部分特殊安全的管道來(lái)說(shuō)，無(wú)需外部增加裝置，僅是通過(guò)外部的測(cè)量就能夠達(dá)到流體流量識(shí)別，是最佳檢測(cè)手段[2]。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)導(dǎo)熱反問(wèn)題的持續(xù)深入研究，借助外表面來(lái)判定內(nèi)部參數(shù)的檢測(cè)方法也逐漸成熟起來(lái)，且已有不少研究成果證實(shí)了超聲波測(cè)量的有效性，確定了其無(wú)壓降、精度高、重復(fù)性佳以及可實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)量等諸多特點(diǎn)，并且逐步取代了傳統(tǒng)的流體流量測(cè)量方法[3]。但以往在對(duì)管道內(nèi)流體流量超聲波測(cè)量期間，主要是基于理論層面出發(fā)，這意味著流體流量的測(cè)定是以理想流體為大前提，并未充分考慮流體自身特性，使得超聲波測(cè)量在實(shí)際運(yùn)用中，有著較高的誤差，限制了其推廣價(jià)值[4]。為此，本研究擬結(jié)合管道內(nèi)流體的實(shí)際特性，從實(shí)際層面出發(fā)評(píng)價(jià)超聲波測(cè)量方法的具體使用方法和應(yīng)用價(jià)值。

1超聲波流體流量測(cè)量原理

超聲波檢測(cè)方法實(shí)際上是一種充分運(yùn)用流體內(nèi)部聲學(xué)反射物質(zhì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)流體流速分布有效測(cè)量的檢測(cè)手段。超聲波檢測(cè)方法實(shí)際上就是借助能夠發(fā)射脈沖超聲的一個(gè)換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)，聲波沿著入射的方向經(jīng)由管壁進(jìn)入到流體的內(nèi)部。

根據(jù)圖1來(lái)看，超聲波在進(jìn)行管道的流體流量測(cè)試期間，通過(guò)超聲波多普勒方法能夠迅速獲得管道內(nèi)流體的瞬時(shí)速度變化情況，是一種非常有效的流體流速線測(cè)量方法。根據(jù)上圖來(lái)看，超聲換能器發(fā)射中心頻率以表示，脈沖聲波以表示，沿著這個(gè)方向直接貫穿到上管道壁，并直接深入到流體的內(nèi)部，在遭遇到了流體內(nèi)部不同位置的反射粒子后會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的反射現(xiàn)象，隨后即可被換能器迅速接收，同時(shí)在受到多普勒超聲原理的影響，所發(fā)揮的聲波頻率會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的改變，其變化量即可以頻移表示。另有一部分能夠持續(xù)發(fā)射，深入到下管道的內(nèi)壁中，隨后再沿著入射的方向反射回到換能器中，而不同的位置所獲得的反射粒子的回波方程，可通過(guò)以下公式來(lái)表示：

上述公式中：c主要用于在流體中超聲波的傳播速度進(jìn)行表示;d則主要用于對(duì)反射粒子和換能器之間的距離進(jìn)行表示;t則用于對(duì)接收時(shí)間進(jìn)行表示。結(jié)合其檢測(cè)原理對(duì)超聲波的速度進(jìn)行表示計(jì)算，具體以V值表示，相關(guān)公式為：

根據(jù)上述公式來(lái)看，主要用于對(duì)發(fā)射頻率進(jìn)行表示;V則主要用于對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行表示;則主要用于對(duì)超聲波的頻移進(jìn)行表示;則主要對(duì)入射角度進(jìn)行表示。

結(jié)合上述公式（2）來(lái)看，選取最佳的角度不僅能夠幫助聲波能量在管壁部位的反射量得到減弱，同時(shí)也能夠促使聲波穿透管內(nèi)流體能量得到有效增強(qiáng)，并且入射角度的大小也會(huì)對(duì)流速的測(cè)量范圍帶來(lái)直接的影響。為此，在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中，必須從非理想條件的層面出發(fā)來(lái)進(jìn)行數(shù)值仿真處理。

2管道模型與實(shí)驗(yàn)方法

2.1幾何模型構(gòu)建

根據(jù)圖2來(lái)看，本次研究主要以下面兩種管道模型為研究對(duì)象，探討上游阻流件會(huì)帶來(lái)的擾流和渦流，對(duì)超聲波流體流量檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)的影響。管道的直徑為D=50mm，變徑的管道最小部位直徑為d=40mm，而其上游部位緩沖管道的長(zhǎng)度為10D，而出口部位的管道長(zhǎng)度為20D。結(jié)合所配備的相關(guān)安裝手冊(cè)的各項(xiàng)要求來(lái)看，其下游緩沖管道的長(zhǎng)度必須達(dá)到10D以上，為此，為了了解最佳的流速流量測(cè)試位置，故選取不同緩沖管道來(lái)進(jìn)行精確度的測(cè)量。

2.2FLUENT仿真設(shè)置

借助ICEM-CFD軟件來(lái)完成模型網(wǎng)格劃分處理，通過(guò)管道直徑突出部位和T型管道交匯部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，在選取管道壁面和流體進(jìn)口部位對(duì)邊界層網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置，完成網(wǎng)格處理之后，其總體的數(shù)量大約為53萬(wàn)。以戊烷填充管道內(nèi)部，同時(shí)對(duì)其黏度進(jìn)行合理調(diào)整;當(dāng)雷諾數(shù)在低于2000時(shí)，則以Lamina層流模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，在流體達(dá)到了湍流狀態(tài)之后，則采用湍流模型來(lái)完成分析處理。

在完成網(wǎng)格的劃分處理之后，隨后可通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證處理，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的全面提升。對(duì)管道入口部位的流速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并將網(wǎng)格的總數(shù)分別設(shè)定為30萬(wàn)、53萬(wàn)和75萬(wàn)模型下的仿真結(jié)果的差異。此時(shí)，可觀察到當(dāng)達(dá)到了53萬(wàn)、75萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量時(shí)，網(wǎng)格的計(jì)算敏感度隨之下降，這就意味著將網(wǎng)格總數(shù)設(shè)定為53萬(wàn)時(shí)，其計(jì)算模型能夠較好的滿足實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)需求，考慮到本研究篇幅問(wèn)題，故并未針對(duì)該問(wèn)題做深入探討。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

在本次實(shí)驗(yàn)操作中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)選取黏度為2.3mPa.s的煤油，并在24℃的條件下進(jìn)行操作，為了了解不同黏度流體的差異，故將油田采集的原油與煤油以不同的比例進(jìn)行充分混合，分別調(diào)配成4.1、6.4、8.3mPa.s的流體，并通過(guò)密度計(jì)完成準(zhǔn)備的四種介質(zhì)的密度測(cè)量。

基于仿真結(jié)果的層面上，借助測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)超聲波測(cè)量精確度的校準(zhǔn)處理。對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，聲道數(shù)為4，相對(duì)聲路高度（±0.809016），權(quán)重系數(shù)為（0.138197），在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，當(dāng)流體流速每增加0.2m/s設(shè)定為1檔，從0-2m/s依次進(jìn)行遞增處理。每次測(cè)量需要采集100組的數(shù)據(jù)，并以不同算法權(quán)重系數(shù)來(lái)完成對(duì)流量的計(jì)算，同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)表實(shí)施比較。

取變徑管阻流件、T型管阻流件10D的位置進(jìn)行超聲波流量計(jì)的安裝，隨后運(yùn)用遺忘因子最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化處理，相關(guān)權(quán)重系數(shù)見表1。

3結(jié)果與討論

3.1流型分析

根據(jù)圖3來(lái)看，變徑管道的下游與T型管道下游10D位置其管道中流體的分布情況。在其入口部位其流速固定位1m/s，而流體的黏度從6.4mPa.s向2.3mPa.s變化，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)在6718-18695的范圍內(nèi)。結(jié)合模擬的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，在上游管道阻流件的存在會(huì)導(dǎo)致管道中的流體流型呈現(xiàn)出非常明顯的非均勻狀態(tài);除此之外，伴隨著流體黏度的隨之改變，其速度的梯度也會(huì)發(fā)生變化。

針對(duì)變徑管，其管道尺寸在出現(xiàn)突變之后會(huì)導(dǎo)致截面處流體呈現(xiàn)出非常典型的不規(guī)則分布狀態(tài)，同時(shí)使得流場(chǎng)內(nèi)部出現(xiàn)部分區(qū)域的流速顯著低于入口速度的情況，伴隨著流體的整體黏度顯著下降，管道內(nèi)部的流動(dòng)慣性問(wèn)題更為突出，但因變徑管本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這就會(huì)造成流體流動(dòng)方向被強(qiáng)行改變，從而使得流體的湍流程度隨之增強(qiáng)，促使管道截面部位的流速最大值隨之升高。

針對(duì)T型管道模型，在兩股進(jìn)口流體相互交匯的部位，流體的湍動(dòng)程度會(huì)有顯著升高，這就會(huì)導(dǎo)致渦流的整體流速在最高區(qū)域出現(xiàn)明顯的下移特點(diǎn)，伴隨著流體黏度的持續(xù)下降，其雷諾數(shù)也表現(xiàn)出非常顯著的升高特點(diǎn)，管道內(nèi)擾動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)有明顯的提升，速度梯度也呈現(xiàn)出相應(yīng)增加。

3.2安裝部位對(duì)流體流量測(cè)試結(jié)果精度的影響

在管道運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，超聲波流量計(jì)在進(jìn)行安裝期間，其具體位置必須與上游阻流件之間保持一定的距離，以確保流體能夠得到更好的發(fā)展，常規(guī)情況下，需要保持30D以上的距離，才能夠有效防止流體湍動(dòng)導(dǎo)致誤差問(wèn)題[9]。但就實(shí)際情況來(lái)看，考慮到實(shí)驗(yàn)條件，選取距離上游管道10D以外的位置作為流量計(jì)的安裝部位，此時(shí)所出現(xiàn)的測(cè)量誤差已經(jīng)可直接忽略，同時(shí)在借助遺忘因子的優(yōu)化處理之后，這個(gè)誤差得到了進(jìn)一步的控制。針對(duì)不同安裝部位和權(quán)重計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行相對(duì)誤差的定量描述，具體的計(jì)算公式如下：

根據(jù)上述公式來(lái)看，Vm主要用于對(duì)流體在經(jīng)過(guò)管道橫截面的實(shí)際速度進(jìn)行表示;v1則主要用于對(duì)遺忘因子優(yōu)化處理后的平均速度進(jìn)行表示。根據(jù)圖4結(jié)果來(lái)看，分別運(yùn)用傳統(tǒng)積分計(jì)算方法與遺忘因子最小二乘法對(duì)T型管道位置的誤差進(jìn)行測(cè)量，可以觀察到，伴隨著流體流速的持續(xù)提升，流量計(jì)量誤差整體表現(xiàn)出非常規(guī)典型的下降趨勢(shì)，若將超聲波流量計(jì)安裝在10D的部位時(shí)，兩種計(jì)算方法的誤差范圍分別為±0.8%、±0.3%;若將超聲波流量計(jì)安裝在20D的部位時(shí)，兩種計(jì)算方法的誤差范圍分別為0.51%、0.18%。

根據(jù)圖5結(jié)果來(lái)看，分別運(yùn)用傳統(tǒng)積分計(jì)算方法與遺忘因子最小二乘法對(duì)變徑管道位置的誤差進(jìn)行測(cè)量，可以觀察到，傳統(tǒng)的積分計(jì)算方法在變徑管道誤差范圍測(cè)量中，其結(jié)果均高于T型管道，分別為±1.0%、±0.8%。而采用遺忘因子最小二乘法進(jìn)行誤差計(jì)算，結(jié)果顯示其相對(duì)誤差范圍均控制在±0.3%范圍內(nèi)，這就表明超聲波流量計(jì)盡管無(wú)法安裝在管道內(nèi)，但仍然能夠獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.3黏度對(duì)流體流量測(cè)試結(jié)果精度的影響

在組流件下游15D的部位，相對(duì)誤差絕對(duì)值與管道中的黏度、瘤體流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，見圖5。

根據(jù)圖5來(lái)看，通過(guò)對(duì)流體流量的提升，能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)定誤差值的控制，而當(dāng)入口流量達(dá)到了8m3/h后，其相對(duì)誤差值只有0.54%左右;而在流速達(dá)到了相同條件之后，測(cè)量誤差的增長(zhǎng)值則會(huì)保持在1.0%范圍內(nèi)。

根據(jù)圖6來(lái)看，當(dāng)入口流量在達(dá)到了8m3/h后，其相對(duì)誤差值只有0.42%左右，這就意味著采取遺忘因子優(yōu)化算法同樣適用于不同黏度油品的測(cè)定。

4討論

結(jié)合現(xiàn)階段超聲波流量計(jì)在流體流量測(cè)試過(guò)程中所遭遇的實(shí)際問(wèn)題，從非理想狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)仿真模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)變徑管與T型管進(jìn)行了測(cè)定，從不同位置、不同黏度分析了超聲波的檢測(cè)準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，管道結(jié)構(gòu)和物質(zhì)都會(huì)對(duì)流體流量帶來(lái)不同程度的影響，而超聲波流量計(jì)安置的位置也呈現(xiàn)出不同的測(cè)試結(jié)果，但無(wú)論在何種情況下，采用超聲波對(duì)流體流量進(jìn)行測(cè)定，均能夠取得較為精確的測(cè)量結(jié)果。

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