基于FLUENT的超聲波流量計(jì)水流特性分析

潘旭楓 鄺衛(wèi)華 陳彪彪

（1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣帥 510006；2.廣帥番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子系，廣帥 511483）

0 引言

超聲波流量計(jì)是利用超聲波在流體中傳播時(shí)，可以載上流體流速信息的特性，通過接收和處理穿過流體的超聲波信息，就可檢測(cè)出流體的流速，進(jìn)而換算成流量的計(jì)量?jī)x器[1]。其具有壓損小、量程大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水、鋼鐵冶金、石油化工、電力、氣體輸送等行業(yè)[2]。目前國內(nèi)超聲流量計(jì)基本采用時(shí)差式測(cè)量原理[3]。然而在流體大流量測(cè)量中，超聲波傳輸過程會(huì)受到紊流及漩渦干擾，影響流量測(cè)量的精度。

本文針對(duì)時(shí)差式超聲波流量計(jì)在大流量測(cè)量中存在的問題，借助流體仿真軟件FLUENT，對(duì)過流通道進(jìn)行了建模和數(shù)值模擬，分析了同一進(jìn)口流速下三款不同的反射裝置和通道結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波信號(hào)的影響，最終獲得優(yōu)選的管道結(jié)構(gòu)。

1 超聲波流量計(jì)物理模型

FLUENT軟件含有多種優(yōu)化的物理模型，如定常和非定常流動(dòng)、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等等。針對(duì)每一種物理問題的流動(dòng)特點(diǎn)，用戶可選擇非耦合隱式算法、耦合顯式算法和耦合隱式算法等來模擬分析實(shí)際的流體流動(dòng)情況[4]。

本文研究介質(zhì)為水，為壓縮性不強(qiáng)的流體，所以選用非定常非耦合隱式算法求解，單相流模型；由于討論的為大流量情況，設(shè)立同一進(jìn)口速度為1.7m/s，經(jīng)換算雷諾值屬于紊流狀態(tài)，因此選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型；并且考慮重力和能量損失等影響因素。

2 CFD過流通道建模

如圖1、圖2、圖3 所示，采用Pro/E軟件對(duì)三款流量計(jì)的過流通道進(jìn)行三維建模。將模型外表面導(dǎo)人GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于局部形狀復(fù)雜或突變處，為了得到更為精確的流場(chǎng)，網(wǎng)格尺寸可進(jìn)一步細(xì)分。劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)人至FLUENT軟件中。

圖1 A款模型的過流通道及反射裝置

圖2 B款模型的過流通道及反射裝置

圖3 C款模型的過流通道及反射裝置

選取FLUENT軟件模擬邊界條件類型，進(jìn)口inlet取velocity-inlet（速度進(jìn)口）方式，用于定義流動(dòng)速度和流動(dòng)進(jìn)口的流動(dòng)屬性相關(guān)的標(biāo)量，其流速Velocity Magnitude為1.7m/s；出口outlet取outflow（自由出流）方式，用以模擬前無法知道出口速度或者壓力的情況，出口流動(dòng)符合完全發(fā)展條件，出口處，除了壓力之外，其他參數(shù)梯度為0；區(qū)域wall取默認(rèn)wall邊界。

3 CFD模擬結(jié)果及分析

3.1 速度等值線圖比較

3.1.1 Y＝0 平面速度等值線圖比較

如圖4、圖5 所示，A款模型與B款模型的基本結(jié)構(gòu)相似，兩款模型所表現(xiàn)的流場(chǎng)狀況亦較為相似。從模型結(jié)構(gòu)特征可看出，B款模型的反射柱背面采用圓弧式結(jié)構(gòu)、在縮管處采用圓弧過渡，相對(duì)于A款模型的反射柱直柱式結(jié)構(gòu)和縮管處45°角過渡具有較好的導(dǎo)流作用。對(duì)比二者，可知B款模型速度等值線分布較為均勻稀疏，速度梯度變化較小，在縮管段出口處速度等值線趨于平緩，因此其流動(dòng)效果更好，過流通道結(jié)構(gòu)有利于流體流動(dòng)[5]。

圖4 A款模型Y＝0 平面速度等值線

圖5 B款模型Y＝0 平面速度等值線

如圖6 所示，C款模型采用內(nèi)鑲套籠架式結(jié)構(gòu)，反射片放置于架中兩端。由于中部過流通道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，C款模型的速度等值線分布較為密集，在多個(gè)區(qū)域形成不同的速度場(chǎng)變化，與A、B兩款模型的流場(chǎng)狀況有一定的區(qū)別，流動(dòng)效果相對(duì)混亂。

圖6 C款模型Y＝0 平面速度等值線

3.1.2 Z＝0 平面速度等值線圖比較

如圖7、圖8 所示，當(dāng)水剛進(jìn)人縮口段時(shí)，水流人較窄的截面，水流急劇聚集，所以在縮口處不遠(yuǎn)的地方速度等值線分布梯度較大，而隨著水流的繼續(xù)往前流動(dòng)，趨于平緩，在中后段流動(dòng)基本上已經(jīng)平穩(wěn)。B款模型采用漸人式圓弧縮管結(jié)構(gòu)，與A款模型的直接倒角縮管結(jié)構(gòu)相比，速度等值線分布均勻稀疏，速度梯度變化較小。

圖7 A款模型Z＝0 平面速度等值線

圖8 B款模型Z＝0 平面速度等值線

如圖9 所示，C款模型的流場(chǎng)狀況與Y＝0 平面所反映的結(jié)果一樣。相比之下，A、B兩款模型的過流通道采用縮管結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)椴捎脻u縮通道后，由于過流截面積的減小，流體微團(tuán)之間的剪切力增大，使得流體流動(dòng)更加穩(wěn)定，所以漸縮通道對(duì)流體流動(dòng)起很好的整流作用，有利于超聲波的傳輸。

3.2 速度矢量圖比較

3.2.1 進(jìn)口速度矢量圖比較

圖9 C款模型Z＝0 平面速度等值線

如圖10 所示，水繞過進(jìn)口處反射柱時(shí)，對(duì)其影響并不大，水可以很自由地流過，中心幾乎不產(chǎn)生漩渦，產(chǎn)生漩渦只是在邊緣極小地帶，這對(duì)超聲波的傳輸并沒有影響。如圖11、圖12 所示，在反射面上產(chǎn)生漩渦，B款模型為小型漩渦，影響較小；C款模型中漩渦涉及范圍較大，不利于超聲波反射。

圖10 A款模型進(jìn)口速度矢量

圖11 B款模型進(jìn)口速度矢量

圖12 C款模型進(jìn)口速度矢量

3.2.2 出口速度矢量圖比較

如圖13 所示，當(dāng)水流流出縮口時(shí)，一方面過流截面積增大，水流變緩，當(dāng)撞擊到45°反射柱的時(shí)候，導(dǎo)致水流具有上沖的趨勢(shì)，水的流動(dòng)速度明顯下降，而上方剛好是放置傳感器的地方，水流要繼續(xù)往上流動(dòng)，受到傳感器底部及管壁的阻礙作用，在此處產(chǎn)生了一個(gè)范圍較大的漩渦。如圖14、圖15所示，反射裝置上方區(qū)域基本不受漩渦影響，相對(duì)于A款模型，更有利于超聲波的接收。

圖13 A款模型出口速度矢量

圖14 B款模型出口速度矢量

圖15 C款模型出口速度矢量

4 結(jié)論

本文采用CFD方法，研究了超聲波反射裝置和通道結(jié)構(gòu)對(duì)流量計(jì)過流通道內(nèi)水流特性的影響規(guī)律。與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相比，結(jié)果相符，可以得出如下結(jié)論：

1）反射裝置采用柱式結(jié)構(gòu)比采用片式結(jié)構(gòu)具有更好的導(dǎo)流作用；

2）人口反射裝置和出口反射裝置之間采用漸縮通道能夠起到很好的整流作用，使流量的測(cè)量更為穩(wěn)定；

3）在反射柱背部采用圓弧設(shè)計(jì)及縮管處采用圓弧過渡，不易于過流通道中產(chǎn)生漩渦；

4）B款模型的綜合表現(xiàn)較好，在此基礎(chǔ)上，可用于后續(xù)的流量計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

5）FLUENT等CFD軟件對(duì)于復(fù)雜流體的流動(dòng)狀況有很好的模擬效果，減少開發(fā)賈用，對(duì)管道優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用。