閘閥擾流對外夾式超聲流量計測量精度影響研究

李晶晶, 吳 波 , 史慧超, 陳云龍， 黎光芳, 孟曉煒

(1.北京市計量檢測科學(xué)研究院，北京 100029； 2.廣州能源檢測研究院，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)計量檢測所,北京 101100)

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

超聲流量計的測流精度主要受流體介質(zhì)種類、流體運(yùn)動參數(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因素影響。然而實際流量檢測過程中，由于檢測現(xiàn)場空間和管道鋪設(shè)成本受限，往往遇到超聲流量計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，超聲流量計管路內(nèi)的流場分布也會發(fā)生復(fù)雜變化，進(jìn)而引起測量誤差[7-8]。超聲流量計測量誤差與流場條件密切相關(guān)，其中閥門對下游流場有較大的擾動作用，尤其是閥門開度較小時，距離閥門較近處會形成強(qiáng)烈的橫向流動，使得超聲流量計測量誤差顯著增大[9]。

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

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

1 外夾式超聲流量計測量原理

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

圖1 V法超聲流量計測量原理示意圖

圖1中，L1為管壁厚度，L2為聲波從換能器至上內(nèi)管壁時的水平傳播距離，L3為聲波從上內(nèi)管壁至下內(nèi)管壁時的水平傳播距離；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，兩臺換能器接收到超聲往返信號的時間不同，存在一個時差Δt。若超聲波順流時從TRA到達(dá)TRB所需的時間為t1，逆流時從TRB到達(dá)TRA所需的時間為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；c0為超聲波在被檢測流體中的聲速；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與管路流場分布的影響。其表達(dá)式為

(5)

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

2 閘閥擾流流場的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實際測量過程最常見的阻流件之一，它的存在會大幅削弱流量計的測量能力。通常隨著閥門開度與管段直徑的增大，管道流場分布將逐漸趨于穩(wěn)定，流量計的測量精度也隨之提升。為了進(jìn)一步探究閘閥擾流流場對超聲流量計測流結(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)實際實流實驗建立CFD仿真分析模型，計算模型選取直徑為DN200的管路，管路總長度為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，與實流實驗一致。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

仿真實驗中設(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)半徑按實際管徑設(shè)置，出口為選取壓力出口，計算選用標(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仿真計算得到管道內(nèi)-10D、5D、17.5D、30D共4個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 計算結(jié)果分析

經(jīng)過CFD仿真計算，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取一個截面；閘閥后5D范圍內(nèi)，每隔1D取一個截面；之后直到出口截面前每隔2D取一個截面。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)流速從入口處開始略有升高，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)流場不再穩(wěn)定，流速變化較大，流量計測量誤差也較大；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超聲流量測量誤差的影響，CFD仿真分析時在-10D、5D、17.5D、30D這4個位置處分別設(shè)置了8個聲道，每個聲道根據(jù)實流實驗管徑DN200設(shè)置成V形聲道，聲道中面即同組兩個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計算結(jié)果，在后處理時分別提取-10D、5D、17.5D、30D這4個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處不同聲道的測量誤差相差較大，這說明50%開度閘閥引起的管路內(nèi)流場畸變在5D位置處還未恢復(fù)至較小水平。相對而言，17.5D和30D處各個聲道的測量誤差已經(jīng)非常接近，這說明50%開度閘閥引起的管路內(nèi)流場畸變在17.5D和以后位置處已恢復(fù)到較小水平，此時聲道選取方式對測量結(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受流場變化影響相對較小，聲道3、聲道4、聲道7和聲道8受流場變化影響處在同一水平，而聲道5和聲道6受流場變化影響相對較大。

圖7 不同位置處各聲道線平均流速誤差曲線

3 擾流實驗驗證

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)行超聲流量計流量實測實驗，管路內(nèi)流體介質(zhì)選取水，管道平均流速為0.3 m/s。超聲流量計選擇唐山匯中外夾式超聲流量計。實驗在中國計量科學(xué)研究院流量實驗室進(jìn)行。實驗裝置為水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，流量范圍為0.3～500 m3/h，可對內(nèi)徑65～200 mm的流量計進(jìn)行校準(zhǔn)。該實驗裝置的原理為靜態(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)行超聲流量計實測實驗。實驗管路和外夾超聲安裝位置如圖8所示。分別對水平布置的兩個聲道和斜45°布置的兩個聲道的測量結(jié)果進(jìn)行平均。超聲流量計實驗結(jié)果與CFD仿真計算結(jié)果對比如圖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)引起流場畸變較大，而且在5D位置處還未恢復(fù)至較好水平，此時聲道選取方式對于測量結(jié)果具有一定影響。而對于17.5D和30D兩個位置，水平布置的聲道與斜45°布置的聲道的測量誤差非常接近，這說明50%開度閘閥引起的管道內(nèi)流場畸變在17.5D和以后位置處已恢復(fù)到較低水平，此時聲道選取方式對于測量結(jié)果影響較小。以上實驗結(jié)果與CFD仿真計算結(jié)果一致。

圖8 實驗管路及外夾式超聲流量計安裝位置示意圖

圖9 CFD仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文利用CFD方法對閘閥在50%開度條件下管路內(nèi)流場的分布情況進(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聲道線平均流速進(jìn)行比較，開展了相應(yīng)的驗證實驗測試，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)生較大流場畸變，該范圍內(nèi)測得聲道線平均流速具有較大誤差，而且選取不同聲道時獲得的測量誤差差異較大。

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，聲道選取方式對于測量結(jié)果的影響較小。