超聲波流量計(jì)整流器設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

陳 紅，聶西利，丁淵明

(金卡智能集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引言

超聲波流量計(jì)作為一種電子式流量計(jì)，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?jī)x表，超聲波流量計(jì)的測(cè)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(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)中，由于彎管、閥門(mén)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(duì)稱。因此，只有保證超聲波流量計(jì)的上游具有足夠長(zhǎng)的直管段,才能滿足其測(cè)量準(zhǔn)確度[2]。而通?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，往往無(wú)法滿足足夠長(zhǎng)的直管段要求。因此，必須在滿足超聲波流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下，縮短直管段長(zhǎng)度。

管道內(nèi)流體流經(jīng)彎管時(shí)會(huì)出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，在其下游一定范圍內(nèi)的流動(dòng)都是不對(duì)稱的。Yeh T T等[3]對(duì)非理想狀態(tài)下超聲波流量計(jì)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(wú)法得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。王雪峰等[4]應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)及試驗(yàn)技術(shù)，針對(duì)彎管安裝條件及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，得出彎管直徑和安裝位置對(duì)流量測(cè)量誤差有一定影響。本文應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的方法，設(shè)計(jì)了一種整流器。應(yīng)用試驗(yàn)證明，該整流器可以在縮短超聲波流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度的同時(shí)，滿足測(cè)量準(zhǔn)確度要求。

1 超聲波流量計(jì)時(shí)差法測(cè)量原理

根據(jù)信號(hào)檢測(cè)原理的不同，超聲波流量計(jì)的測(cè)量方法主要有時(shí)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(jì)的測(cè)量方法為時(shí)差法。時(shí)差法是根據(jù)聲波在流體中順流傳播時(shí)間與逆流傳播時(shí)間，計(jì)算得出流體的流速[7-8]。時(shí)差法測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 時(shí)差法測(cè)量原理圖

超聲波在管道內(nèi)順流傳播時(shí)間tup和逆流傳播tdown時(shí)間為：

(1)

(2)

式中：θ為超聲波傳播方向與氣體流動(dòng)方向的夾角；L為超聲波在流體中傳播的有效長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)速度。

由式(1)和式(2)得出：

(3)

Qc=KR×v0×S

(4)

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。

2 整流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)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(jì)上游各阻流件的存在，使管道內(nèi)流場(chǎng)分布不均勻，同時(shí)還存在二次流等擾動(dòng)現(xiàn)象。因此，整流器前端設(shè)計(jì)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(duì)流場(chǎng)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(guò)少無(wú)法充分進(jìn)行流場(chǎng)混合，而葉片數(shù)量過(guò)多則會(huì)增加壓損，因此將風(fēng)扇式葉片的葉片數(shù)量設(shè)計(jì)為8片、10片和12片，并分別進(jìn)行驗(yàn)證。整流器結(jié)構(gòu)中間為直管段，為流體經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(kāi)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(jì)。在整流器橫截面上選取多個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系確定導(dǎo)流孔的總面積和數(shù)量，最后確定各節(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(gè)節(jié)圓：在第一個(gè)節(jié)圓上開(kāi)4個(gè)導(dǎo)流孔，直徑為7.64 mm；在第二個(gè)節(jié)圓上開(kāi)8個(gè)導(dǎo)流孔，直徑為5.62 mm；在第三個(gè)節(jié)圓上開(kāi)4個(gè)導(dǎo)流孔，直徑為 7.5 mm；在第四個(gè)節(jié)圓上開(kāi)8個(gè)導(dǎo)流孔，直徑為6.03 mm；在第五個(gè)節(jié)圓上開(kāi)8個(gè)導(dǎo)流孔，直徑為6.34 mm。為了使流體經(jīng)過(guò)多孔管段后可以充分地進(jìn)行整流，將多孔管段長(zhǎng)度設(shè)為20 mm。

3 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值仿真計(jì)算模型

本文所述超聲波流量計(jì)管道內(nèi)徑D=50 mm，流量范圍為(4～160)m3/h，計(jì)量精度為1級(jí)，一對(duì)超聲波換能器安裝于流量計(jì)水平中心平面上，形成單聲道測(cè)量形式。將整流器安裝于超聲波流量計(jì)進(jìn)口處，流量計(jì)上游單彎管與流量計(jì)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(jì)算軟件，對(duì)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：?jiǎn)螐澒?、整流器和超聲波流量?jì)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(wàn)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(jì)算中應(yīng)用Realizablek-ε湍流模型[9-10]。

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

時(shí)差法超聲波流量計(jì)通過(guò)對(duì)射線上線速度所引起的順流和逆流時(shí)間差進(jìn)行流量計(jì)算。因此，對(duì)射線上線速度的分布是否均勻會(huì)對(duì)流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度有一定影響。然而，流場(chǎng)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(duì)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(jì)之間距離為5D。在流量相同時(shí)，將對(duì)射線上線速度進(jìn)行無(wú)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(shí)，葉片數(shù)量為12片時(shí)的對(duì)射線上線速度比8片和10片分布均勻，且一致性更好，同時(shí)滿足壓損要求。

圖2 線速度分布圖

同樣可以根據(jù)流量計(jì)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(shí)，分別截取整流器葉片為8片、10片和12片時(shí)流量計(jì)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。

圖3 縱向截面速度等值線示意圖

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

4 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

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(jì)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)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(mén)、標(biāo)準(zhǔn)表、管道、變頻器和控制系統(tǒng)等組成，是一臺(tái)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(cè)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(yàn)管道口徑為DN15～DN2 000，因此可對(duì)本文所述超聲波流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

將流量計(jì)安裝在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，分別對(duì)流量計(jì)進(jìn)口處加裝10D直管段和單彎管進(jìn)行測(cè)試。彎管與流量計(jì)之間直管段為5D，試驗(yàn)流量點(diǎn)為(4，16，40，64,160)m3/h，試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃，標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)通過(guò)被檢表脈沖輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)累積流量計(jì)量得出示值誤差，測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度±1%的要求，因此可以證明本文所設(shè)計(jì)整流器不僅可以滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求，而且可以縮短彎管與流量計(jì)之間直管段距離。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用CFD數(shù)值仿真和氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗(yàn)方法。當(dāng)上游阻流件為單彎管時(shí)，分析所設(shè)計(jì)整流器對(duì)超聲波流量計(jì)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(shí)，換能器對(duì)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(yàn)對(duì)12片葉片的整

流器進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的整流器可以減小單彎管所引起的誤差偏差值，同時(shí)可以縮短單彎管與流量計(jì)之間直管段的距離，滿足測(cè)量準(zhǔn)確度要求。