超聲波流量計作為一種電子式流量計, 目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1]。作為速度式流量儀表, 超聲波流量計的測量精度受管道條件的影響較大。其理想安裝條件是管道內(nèi)流體為充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但在實際應(yīng)用現(xiàn)場中, 由于彎管、閥門等阻流件的存在, 使管道內(nèi)流體速度分布發(fā)生畸變, 速度分布不對稱。因此, 只有保證超聲波流量計的上游具有足夠長的直管段, 才能滿足其測量準(zhǔn)確度[2]。而通?，F(xiàn)場應(yīng)用中, 往往無法滿足足夠長的直管段要求。因此, 必須在滿足超聲波流量計測量準(zhǔn)確度的前提下, 縮短直管段長度。

  管道內(nèi)流體流經(jīng)彎管時會出現(xiàn)二次流現(xiàn)象, 在其下游一定范圍內(nèi)的流動都是不對稱的。Yeh T T等[3]對非理想狀態(tài)下超聲波流量計進(jìn)行數(shù)值模擬。由于強(qiáng)烈的二次流的影響, 應(yīng)用傳統(tǒng)流量系數(shù)曲線無法得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。王雪峰等[4]應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)及試驗技術(shù), 針對彎管安裝條件及設(shè)計參數(shù)對氣體超聲波流量計誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析, 得出彎管直徑和安裝位置對流量測量誤差有一定影響。本文應(yīng)用計算流體力學(xué) (computational fluid dynamics, CFD) 的方法, 設(shè)計了一種整流器。應(yīng)用試驗證明, 該整流器可以在縮短超聲波流量計上游直管段長度的同時, 滿足測量準(zhǔn)確度要求。

  根據(jù)信號檢測原理的不同, 超聲波流量計的測量方法主要有時差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法和相關(guān)法等[5-6]。本文所述超聲波流量計的測量方法為時差法。時差法是根據(jù)聲波在流體中順流傳播時間與逆流傳播時間, 計算得出流體的流速[7-8]。時差法測量原理如圖1所示。

  超聲波在管道內(nèi)順流傳播時間tup和逆流傳播tdown時間為:

  式中:θ為超聲波傳播方向與氣體流動方向的夾角;L為超聲波在流體中傳播的有效長度;D為管道直徑;C0為超聲波在靜止流體中的傳播速度;v0為管道內(nèi)流體運動速度。

由式 (1) 和式 (2) 得出:

式中:KR為雷諾數(shù)修正系數(shù);S為管道截面積;Qc為管道內(nèi)流量。

  本文設(shè)計的超聲波流量計整流器由三部分組成:前端為均勻分布的風(fēng)扇式葉片, 中間為直管混合區(qū), 后端為多孔管段。由于流量計上游各阻流件的存在, 使管道內(nèi)流場分布不均勻, 同時還存在二次流等擾動現(xiàn)象。因此, 整流器前端設(shè)計為風(fēng)扇式葉片形式, 使不均勻流體流經(jīng)風(fēng)扇式葉片后, 對流場進(jìn)行重新分布, 以消除二次流、渦流等現(xiàn)象。由于葉片數(shù)量過少無法充分進(jìn)行流場混合, 而葉片數(shù)量過多則會增加壓損, 因此將風(fēng)扇式葉片的葉片數(shù)量設(shè)計為8片、10片和12片, 并分別進(jìn)行驗證。整流器結(jié)構(gòu)中間為直管段, 為流體經(jīng)過風(fēng)扇式葉片后提供流體混合區(qū), 使其有足夠的空間將流場分布趨于穩(wěn)定。

  整流器后端為多孔管段。由于傳統(tǒng)的整流器的開孔結(jié)構(gòu)不合理, 整流效果比較差, 因此本文根據(jù)文獻(xiàn)[9]所述方法進(jìn)行設(shè)計。在整流器橫截面上選取多個節(jié)圓。首先確定整流器導(dǎo)流孔的總面積和管道橫截面積的對應(yīng)關(guān)系, 然后根據(jù)其對應(yīng)關(guān)系確定導(dǎo)流孔的總面積和數(shù)量, ***后確定各節(jié)圓上導(dǎo)流孔的孔徑尺寸位置。根據(jù)此方法, 在整流器橫截面上先取5個節(jié)圓:在個節(jié)圓上開4個導(dǎo)流孔, 直徑為7.64 mm;在第二個節(jié)圓上開8個導(dǎo)流孔, 直徑為5.62 mm;在第三個節(jié)圓上開4個導(dǎo)流孔, 直徑為7.5 mm;在第四個節(jié)圓上開8個導(dǎo)流孔, 直徑為6.03 mm;在第五個節(jié)圓上開8個導(dǎo)流孔, 直徑為6.34 mm。為了使流體經(jīng)過多孔管段后可以充分地進(jìn)行整流, 將多孔管段長度設(shè)為20 mm。

  本文所述超聲波流量計管道內(nèi)徑D=50 mm, 流量范圍為 (4~160) m3/h, 計量精度為1級, 一對超聲波換能器安裝于流量計水平中心平面上, 形成單聲道測量形式。將整流器安裝于超聲波流量計進(jìn)口處, 流量計上游單彎管與流量計之間直管段距離為5D, 其中彎管半徑R=1.5D。

  應(yīng)用Fluent流體力學(xué)計算軟件, 對超聲波整流器在單彎管情況下的整流效果進(jìn)行仿真。其中:單彎管、整流器和超聲波流量計部分采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;直管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;網(wǎng)格總數(shù)為150萬左右。流體介質(zhì)為常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣;入口邊界條件為速度入口, 出口邊界條件為自由流出;入口仿真流量分別為 (4, 16, 40, 64, 160) m3/h, 計算中應(yīng)用Realizable k-ε湍流模型[9-10]。

  時差法超聲波流量計通過對射線上線速度所引起的順流和逆流時間差進(jìn)行流量計算。因此, 對射線上線速度的分布是否均勻會對流量計計量準(zhǔn)確度有一定影響。然而, 流場的不均勻分布將直接影響線速度分布。應(yīng)用Fluent仿真軟件, 分別對8片、10片和12片葉片的整流器在單彎管情況下進(jìn)行仿真。其中, 單彎管與流量計之間距離為5D。在流量相同時, 將對射線上線速度進(jìn)行無量綱化處理, 得到如圖2所示的線速度分布圖。從圖2可知, 當(dāng)流量為4 m3/h和160 m3/h時, 葉片數(shù)量為12片時的對射線上線速度比8片和10片分布均勻, 且一致性更好, 同時滿足壓損要求。

  同樣可以根據(jù)流量計中間位置的縱向截面上速度分布情況, 判斷整流器的效果。在流量為4 m3/h和160 m3/h時, 分別截取整流器葉片為8片、10片和12片時流量計中間位置的縱向截面, 其縱向截面速度等值線圖如圖3所示。

  從圖3可知, 當(dāng)葉片數(shù)量為12片時, 流量計中間位置速度更均勻, 且不存在二次流現(xiàn)象, 即整流器效果***好。因此, 整流器中葉片數(shù)量取12片。

  根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果, 將12片葉片的整流器安裝于流量計中進(jìn)行試驗驗證。試驗裝置為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。該裝置主要由風(fēng)機(jī)、閥門、標(biāo)準(zhǔn)表、管道、變頻器和控制系統(tǒng)等組成, 是一臺高精度的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。其根據(jù)密閉管道內(nèi)氣體連續(xù)性原理, 將被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表串聯(lián), 在同一工況下完成校準(zhǔn)、檢定。該氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用負(fù)壓法進(jìn)行測量, 工作介質(zhì)為空氣, 流量范圍為 (0.5~2 000) m3/h, 流量調(diào)節(jié)精度為±0.5%, 試驗管道口徑為DN15~DN2 000, 因此可對本文所述超聲波流量計進(jìn)行試驗。

  將流量計安裝在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上, 分別對流量計進(jìn)口處加裝10D直管段和單彎管進(jìn)行測試。彎管與流量計之間直管段為5D, 試驗流量點為 (4, 16, 40, 64, 160) m3/h, 試驗環(huán)境溫度為25℃, 標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)通過被檢表脈沖輸出的信號進(jìn)行計數(shù), 實現(xiàn)累積流量計量得出示值誤差, 測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1可知, 單彎管情況下的示值誤差與10D直管段示值誤差平均偏差在±0.3%范圍內(nèi), 且滿足測量準(zhǔn)確度±1%的要求, 因此可以證明本文所設(shè)計整流器不僅可以滿足測量準(zhǔn)確度的要求, 而且可以縮短彎管與流量計之間直管段距離。

  本文應(yīng)用CFD數(shù)值仿真和氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗方法。當(dāng)上游阻流件為單彎管時, 分析所設(shè)計整流器對超聲波流量計管道內(nèi)流體的整流效果。由數(shù)值仿真可知, 當(dāng)整流器葉片數(shù)量為12片時, 換能器對射線上線速度分布均勻, 且管道內(nèi)截面上速度分布均勻, 整流效果好。應(yīng)用氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗對12片葉片的整流器進(jìn)行驗證, 結(jié)果表明, 本文所設(shè)計的整流器可以減小單彎管所引起的誤差偏差值, 同時可以縮短單彎管與流量計之間直管段的距離, 滿足測量準(zhǔn)確度要求。