超聲波流量計作為一種較高精度的流體計量工具，在節(jié)能降耗方面發(fā)揮著巨大作用?；?Fluent 軟件，選用k-ε模型對超聲流量計基表內(nèi)的流場進行了三維數(shù)值模擬，通過計算及結(jié)果分析得到超聲波流量計 K 系數(shù)及 K 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的分布規(guī)律，并探討了超聲波流量計***優(yōu)聲路的選擇，反射柱直徑、換能器露出高度對基表內(nèi)水流特性的影響規(guī)律。數(shù)值模擬對流量計結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。

0.前言

時差法超聲波流量計是一種利用超聲波信號在流體中傳播時所載流體的流速信息來測量流體流量的測量方法 ，它具有測量范圍寬、測量精度高、使用方便、安裝簡單等特點。

超聲波反射裝置由表面光滑的合金制成，它在傳送超聲波信號的同時，也阻礙流體通過，使得流量計內(nèi)水流特性非常復(fù)雜。工程人員進行流量計結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，需考慮圖 1 所示反射柱直徑 d、換能器露出高度H、兩反射柱距離 L、縮管直徑 D 等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本文作者基于 Fluent 流體軟件，通過數(shù)值模擬來研究反射裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對基表水流特性的影響規(guī)律，為流量計基表結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

K 系數(shù)

根據(jù)超聲波流量計測量原理可知，流量計測量的流速為超聲波傳播路徑上的線平均速度，而非測量截面內(nèi)流體的面平均速度，需引入修正系數(shù) K 對其速度進行修正 。K 系數(shù)定義為:

均值。

目前，K 系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差已成為衡量超聲波反射裝置、超聲波聲路優(yōu)劣的主要依據(jù) 。本文對聲路的定義如圖 2 所示: 以反射面中心為基準(zhǔn)，往外每增加0. 5 mm 進行劃線，分別標(biāo)記為 Line0，Line1，…，

LineN，對應(yīng)的 K 系數(shù)依次編號為 K1 ，K2 ，…，Kn 。不同聲路的 K 值可以通過 Fluent 后處理功能獲取。

2.反射柱直徑對基表水流特性的影響規(guī)律

為了研究反射柱直徑對基表水流特性的影響規(guī)律，文中選取了 5 組不同的直徑數(shù)值，分別為 d = 11. 2、12. 6、14. 0、15. 4、16. 8 mm?；砥溆嘟Y(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，換能器露出高度 H =11. 4 mm，縮管直徑 D =14 mm，反射裝置軸向距離 L =72 mm。分別按照上述參數(shù)建模，并基于 Fluent 軟件進行數(shù)值模擬，以探討不同反射柱直徑對基表內(nèi)水流特性的影響規(guī)律。

圖 3 反映了不同反射柱直徑對各聲路 K 系數(shù)的影響規(guī)律。由圖可知，盡管反射柱直徑不同，但各聲道 K 系數(shù)的變化規(guī)律基本一致，從中心聲道 Line0 到第 14 聲道 Line14 基本上呈先降后升的趨勢，各聲路升降轉(zhuǎn)折拐點并不相同。d =11. 2 mm 時，K 系數(shù)前幾條聲路相對平緩。隨著反射柱直徑 d 的增加，1 － 6 聲路 K 系數(shù)下降幅度明顯增大，這是由于隨著反射柱直徑的增大，其阻流效果越發(fā)明顯所致。圖中第五條聲道 Line5 ( 即橫坐標(biāo) 5 對應(yīng)的 K 值) 為不同反射柱直徑 K 系數(shù)相交點，說明該聲路 K 系數(shù)***為穩(wěn)定，不會隨反射柱直徑的變化而產(chǎn)生顯著變化。

圖4 反映了不同反射柱直徑對 K 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的影響規(guī)律。由圖可知，當(dāng)反射柱直徑較小時，K 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差較小。隨著反射柱直徑的增大，如 d =16. 8 mm 時，K 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差呈明顯增大趨勢，這是由于隨著反射柱直徑的增大，反射裝置與基表內(nèi)表面之間的過流面積明顯減小，流體承受阻流作用增大，流體只能以較高流速快速通過兩反射裝置之間的通道區(qū)域，流體擾動大，流動不穩(wěn)定，導(dǎo)致 K 值標(biāo)準(zhǔn)差明顯增加。

圖5 反映了不同反射柱直徑對反射柱周邊流場的影響規(guī)律。由圖可知，由于反射柱對液流的阻礙作用，反射柱反射面附近會出現(xiàn)漩渦，部分流體從反射柱周邊流向反射面，形成回旋。反射柱直徑越大，漩渦形成的范圍也越大。

圖 6 反映了不同反射柱直徑對整個基表內(nèi)流場的影響規(guī)律。由圖可知，d =11. 2 mm 的速度等值線比d=16 mm 更為稀疏，速度梯度小，速度分布更均勻，說明此時基表內(nèi)部流場的品質(zhì)更好。隨著反射柱直徑的增大，反射柱與流量計內(nèi)表之間的徑向間隙減小，造成過流面積縮小，流速增大，流場分布雜亂，速度等值線梯度大，分布密集。當(dāng)然，反射柱的直徑不能一味減小，還得考慮反射面對超聲波的良好反射作用，實際設(shè)計時需在兩者之間找到一個很好的平衡點。

3.換能器露出高度對水流特性的影響規(guī)律

 為了研究超聲波換能器露出高度對基表水流特性的影響規(guī)律，采取了 5 組不同的高度數(shù)值，分別為H=9. 4、10. 4、11. 4、12. 4、13. 4 mm; 基表其余結(jié)構(gòu)參數(shù)全部相同，反射柱直徑 d =14 mm，縮管直徑 D=14 mm，反射裝置軸向距離 L=72 mm。按照上述參數(shù)分別建模，并基于 Fluent 軟件進行數(shù)值模擬，以探討不同超聲波換能器露出高度對基表內(nèi)水流特性的影響規(guī)律。

圖 7 反映了不同換能器露出高度對各聲路 K 系數(shù)的影響規(guī)律。由圖可知，盡管換能器露出高度不同，但各聲道 K 系數(shù)的分布變化規(guī)律基本一致，從中心聲道 Line0 到第 14 聲道 Line14 基本上呈先降后升的趨勢。換能器露出高度對中心軸線的聲路影響較大，表現(xiàn)為中心聲道 Line0 ( 即橫坐標(biāo) 0 對應(yīng)的 K 值) 差異非常明顯。各條聲道先降后升后，于第 11 條聲路 Line11 相交，說明超聲波換能器露出高度對該聲路的影響***小，此時可選為***優(yōu)聲路。

圖8 反映了不同換能器露出高度對 K 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的影響規(guī)律。由圖可知，隨著換能器露出高度 H 的增大，K 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差呈明顯下降趨勢。H =12. 4 mm 時，K 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差***小。這是由于隨著露出高度 H 的增大，換能器上表面與基表內(nèi)壁之間的間隙增大，從而使得過流面積增大，流體流過反射裝置時受到的阻礙作用減小，流體擾動減弱，流場更為穩(wěn)定。

圖9 反映了不同換能器露出高度對反射柱周邊流場的影響規(guī)律。由圖可知，由于反射柱對液流的阻礙作用，無論取何種露出高度數(shù)值，入口處反射面附近都會出現(xiàn)漩渦 ( 見圖 9 標(biāo)記處) 。這是由于高速流體經(jīng)過擠壓后將順著反射面下滑，受反射柱周圍高速流體的影響，形成回旋，從而產(chǎn)生漩渦。但隨著換能器露出高度的增大，反射面與基表內(nèi)壁間的間隙增大，回旋的范圍及強度有下降的趨勢。此外，出口反射面附近也會出現(xiàn)漩渦，這是由于流體沿著反射面上行時，遇到基表內(nèi)壁阻擋，形成回旋所致。隨著換能器露出高度的增加，出口反射面上方的漩渦區(qū)域越發(fā)明顯。

圖10 反映了不同換能器露出高度對整個基表內(nèi)流場的影響規(guī)律。由圖可知，不同換能器高度，基表縮管內(nèi)流場基本相似，說明換能器露出高度對基表內(nèi)流場的影響較小。

4.結(jié)論

( 1) 由于反射柱對液流的阻礙作用，入口反射面附近會出現(xiàn)漩渦; 反射柱直徑越大，漩渦形成的范圍也越大。

( 2) 隨著反射柱直徑的增加，K 系數(shù)波動明顯;適當(dāng)減小反射柱直徑，可改善基表內(nèi)部流場品質(zhì)，流速分布更均勻。

( 3) 出口反射面附近也會出現(xiàn)漩渦，隨著換能器露出高度的增加，此處漩渦區(qū)域越發(fā)明顯; 換能器露出高度對基表內(nèi)流場的影響較小。