上游彎管對(duì)鍋爐水超聲波流量計(jì)影響
摘要:為了研究上游彎管的設(shè)置對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量工業(yè)鍋爐水流量準(zhǔn)確性的影響，基于時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理，建立不同直徑、不同流量的鍋爐管道彎管物理模型，給定相應(yīng)邊界條件，采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬求解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彎管下游管道內(nèi)的速度呈非理想均勻分布狀態(tài)，對(duì)水流量測(cè)量的準(zhǔn)確性影響較大:流量的理論測(cè)量值均比實(shí)際值小，且在不同測(cè)量位置，測(cè)量的相對(duì)誤差在一15%~1%之間波動(dòng);在前10 D范圍內(nèi)，測(cè)量的準(zhǔn)確度隨測(cè)試位置與彎管距離的增大而增加，在10~40D范圍內(nèi)，測(cè)量的準(zhǔn)確度在5%以內(nèi);同一測(cè)量條件下，流量測(cè)量的準(zhǔn)確度隨管內(nèi)工質(zhì)流量的增大而減小;在流量全測(cè)量范圍內(nèi)，管徑越大，流量測(cè)量的相對(duì)誤差的變化區(qū)間越小，即誤差曲線越平緩。
0、引言：
流量是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的三大檢測(cè)參數(shù)之一，是工業(yè)鍋爐熱工性能計(jì)算的基本參數(shù)川，其測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)工業(yè)鍋爐的能效評(píng)價(jià)和節(jié)能技改起著至關(guān)重要的作用。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直重視管道流量測(cè)量的準(zhǔn)確性研究，發(fā)現(xiàn)由于管道上游阻力件的影響，流速的分布為非常數(shù)，包含徑向分布、漩渦及二次流，其中二次流的強(qiáng)度與流體的雷諾數(shù)有關(guān)。在實(shí)際流體勃性的作用下，流體經(jīng)過(guò)彎頭后管道流速呈不均勻分布，通過(guò)30一50倍管徑長(zhǎng)度的直管段后，流速分布趨于一種較為固定的形式，即充分發(fā)展紊流區(qū)。
流量計(jì)被應(yīng)用到流量測(cè)量的各個(gè)領(lǐng)域。超聲波流量計(jì)是目前***有發(fā)展前景的新技術(shù)流量計(jì)，其應(yīng)用***廣泛的測(cè)量方法是傳播速度差法中的時(shí)差法。針對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)際安裝中彎管的應(yīng)用，流體速度場(chǎng)分布不對(duì)稱，使得傳統(tǒng)流量系數(shù)曲線不可能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)管道中存在由徑向速度分量形成的渦流時(shí)，時(shí)差法超聲波流量計(jì)所測(cè)得的線平均流速與實(shí)際真實(shí)流速間存在較大差異，產(chǎn)生了流量誤差。另外，彎管直徑、管壁粗糙度及安裝位置等對(duì)流量測(cè)量的準(zhǔn)確性也有一定的影響。
時(shí)差法超聲波流量計(jì)1. 1時(shí)差法測(cè)量原理 時(shí)差法是通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中順流傳播時(shí)間與逆流傳播時(shí)間的時(shí)間差計(jì)算得出流速。圖i為時(shí)差法流速測(cè)量原理圖，其中:e為換能器與管道的安裝角度;z,為兩個(gè)換能器之間的距離;D為管道的直徑;超聲波在靜止流體中的傳播速度為co ,管道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)速度為。
圖1時(shí)差法流速測(cè)量原理圖
管道內(nèi)流體流量計(jì)算式為，其中k為流量修正系數(shù)。
1. 2、流量修正系數(shù)：
流量修正系數(shù)k定義為超聲波傳播路徑上的線平均速度uL與管道截面的面平均流速u、的比值，即k = uLlua。當(dāng)管道內(nèi)流體雷諾數(shù)Re>105時(shí)，流量修正系數(shù)利用尼庫(kù)拉茲摩擦系數(shù)加以修正，如式(2)所示，即
1. 3、流量相對(duì)誤差：
流量相對(duì)誤差定義為
平均速度后，應(yīng)用式(1)求出來(lái)的理論流量值;口真值是根據(jù)鍋爐容量和管徑算出來(lái)的流量值，也是模擬流量的設(shè)定值。流量相對(duì)誤差的值越大，流量測(cè)量的準(zhǔn)確性越低。
2、數(shù)值模擬：
2. 1、數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分：
選取具有代表性的6種管徑、12種流量的蒸汽、熱水鍋爐進(jìn)水彎管，表1為選取的蒸汽鍋爐進(jìn)水彎管數(shù)值模擬參數(shù)表，表2為選取的熱水鍋爐進(jìn)水彎管數(shù)值模擬參數(shù)表。
表 １ 蒸汽鍋爐進(jìn)水彎管數(shù)值模擬參數(shù)表表 ２ 熱水鍋爐進(jìn)水彎管數(shù)值模擬參數(shù)表
圖 ２ 測(cè)量段位置示意圖
圖 ３ 彎管計(jì)算模型三維網(wǎng)格示意圖圖 ４ 彎管橫截面網(wǎng)格示意圖
在 ＩＣＥＭ 里劃分好網(wǎng)格后，定義進(jìn)口條件為速度入口，出口條件為自由流出。 本文模型均采用ＳＩＭＰＬＥ 算法，設(shè)置為定常流動(dòng)，選用的湍流模型為ＲＮＧκ－ε 模型，流動(dòng)介質(zhì)均為水，其管徑、溫度、壓力的取值如表 １、表 ２ 所示。 仿真流速由鍋爐的蒸發(fā)量或額定出力計(jì)算得出。 因鍋爐管道常用無(wú)縫鋼管，管 壁 粗 糙 度 設(shè) 置 為 ０