氣體超聲波流量計(jì)整流裝置設(shè)計(jì)與仿真分析

章圣意，姚海濱，董雙雙，李國占，張洪軍

(1.浙江蒼南儀表集團(tuán)股份有限公司，浙江 蒼南 325802；2.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

超聲波流量計(jì)因具有無接觸、無壓損等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，但其測量精度易受管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響[1]。實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場的擾流件會導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)流態(tài)畸變現(xiàn)象，且往往無足夠的長直管段供流動(dòng)緩慢恢復(fù)至理想測量條件[2]。

目前，通常在流量計(jì)上游加裝整流裝置以減少流態(tài)畸變對其測量精度的影響[3-4]。常用的整流裝置有三類。第一類是采用管束式結(jié)構(gòu)將流體分割為若干細(xì)小流束以消除二次流和渦流[5]；第二類是采用多孔板式結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生軸對稱的速度分布[6-8]；學(xué)者們嘗試將第一和第二類整流裝置相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)更好的整流效果，于是就出現(xiàn)了第三類整流裝置[9]。

本文設(shè)計(jì)了一款第三類整流裝置，運(yùn)用大渦模擬方法研究該整流裝置對流量計(jì)內(nèi)部畸變流場的整流機(jī)理，評估其對流量計(jì)測量精度的改善效果。

1 超聲波流量計(jì)整流裝置結(jié)構(gòu)

本文研究對象為一款DN50超聲波流量計(jì)整流結(jié)構(gòu)。為了使氣體超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)更加緊湊，對整流裝置和超聲波流量測量段進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)。流量計(jì)測量流道由整流和超聲波流量測量兩部分組成。流體進(jìn)入流量計(jì)流道時(shí)，首先經(jīng)整流裝置進(jìn)行整直，糾正流動(dòng)偏斜和畸變，然后進(jìn)入超聲波流量測量段。當(dāng)流量計(jì)上游存在彎管、閥門等阻流件時(shí)，管內(nèi)會出現(xiàn)二次流造成軸向漩渦，以及流速分布偏斜、嚴(yán)重偏離充分發(fā)展速度分布等情況。在設(shè)計(jì)整流裝置時(shí)，可從消除和減弱大渦結(jié)構(gòu)和糾正流動(dòng)偏斜、畸形兩個(gè)方面考慮。在糾正流動(dòng)偏斜、畸形方面，一般可采用多孔孔板或葉片起旋器，而后者能力更強(qiáng)；在消除漩渦流動(dòng)，糾正流動(dòng)方向方面，蜂窩整直器是比較通行的選擇。本文設(shè)計(jì)中采用了起旋器+蜂窩整直器的方案。為了使流體流經(jīng)起旋器后能有一定的自我修復(fù)空間，該方案在起旋器和蜂窩整直器之間留有一定距離。超聲波流量計(jì)整流裝置示意圖如圖1所示。

圖1 超聲波流量計(jì)整流裝置示意圖

起旋器和蜂窩整直器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 起旋器和蜂窩整直器結(jié)構(gòu)圖

起旋器含有10個(gè)風(fēng)扇式葉片，葉片厚度為0.8 mm，軸向長度為12 mm，葉片的流向傾角沿徑向逐漸增大，輪轂向上游延伸進(jìn)行光滑過渡。輪轂直徑為10 mm，向上游延伸10 mm進(jìn)行光滑過度以減少流動(dòng)分離。蜂窩整直器的蜂窩外接圓直徑為5 mm，蜂窩器軸向長度為30 mm，起旋器葉片尾緣與蜂窩器前緣之間的距離為38 mm。起旋器與蜂窩整直器之間的直管段構(gòu)成的混合腔整流器的總長度為90 mm。

2 物理模型與數(shù)值方法

為了檢驗(yàn)整流裝置的效果，在超聲波流量計(jì)上游設(shè)置擾流件，管道內(nèi)徑d=50 mm，流動(dòng)為雙彎頭+半開平板的嚴(yán)重?cái)_流條件。采用計(jì)算流體力學(xué)方法，針對這一管道模型進(jìn)行了仿真研究。其中，擾流件與超聲波流量計(jì)的流量范圍為1～160 m3/h。擾流流動(dòng)管路模型如圖3所示。

圖3 擾流流動(dòng)管路模型

基于Ansys ICEM軟件，采用模塊化策略，分別對管道、起旋器和蜂窩器各部分流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中：管道與起旋器采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、而蜂窩器則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且對壁面附近網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)約為500萬。計(jì)算域網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格

基于商業(yè)軟件Ansys Fluent，采用大渦模擬方法對流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行仿真分析，管道入口邊界設(shè)為質(zhì)量流量入口條件，管道出口邊界設(shè)為壓力出口條件，靜壓為大氣壓，整流裝置與管道壁面均設(shè)為絕熱無滑移壁面。大渦模擬的亞格子模型選取WMLES模型[10]，壓力與速度耦合方程的求解采用Simple方法，各物理量應(yīng)用二階迎風(fēng)格式，最大流量時(shí)的時(shí)間步長為1×10-5s，待流場達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均以獲得時(shí)均量。

3 結(jié)果與討論

3.1 無/有整流裝置時(shí)流場對比分析

擾流件引起流動(dòng)漩渦和流速分布畸形，對下游很長一段距離內(nèi)流動(dòng)分布產(chǎn)生影響，作為一個(gè)典型工況，Qmax時(shí)流量計(jì)內(nèi)橫截面上的速度云圖如圖5所示。由圖5(a)可見，由于擾流件的存在，橫截面內(nèi)流速分布發(fā)生嚴(yán)重畸變，中心區(qū)域不再是流速較大區(qū)域，流速分布也不再是中間對稱。由圖5(b)可知，由于起旋器和蜂窩整直器的作用，使得管內(nèi)流速分布重新趨于中心對稱，更接近充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖5 Qmax時(shí)流量計(jì)內(nèi)橫截面上的速度云圖

超聲波流量計(jì)聲道上的瞬時(shí)速度分布如圖6所示。由圖6可知，對于無整流裝置情況，聲道上流速分布出現(xiàn)嚴(yán)重偏斜和劇烈波動(dòng)，且其波動(dòng)幅值隨著流量的增加而增大。這顯然是由于擾流件造成流道內(nèi)存在強(qiáng)烈的旋渦與二次流的影響；安裝整流裝置之后，不僅效減弱了流量計(jì)內(nèi)部的流速分布偏斜和波動(dòng)等流動(dòng)畸變，而且流速分布更為均勻和對稱，更加接近與充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。這對于超聲波流量計(jì)測量精度的保證是非常重要的。

表1給出了無/有擾流時(shí)超聲流量計(jì)聲道上的平均速度的比值，該比值越接近于1，說明擾流影響越小，測量越準(zhǔn)確。由表1數(shù)據(jù)可見，對于無整流裝置的情況，相同流量條件下無/有擾流時(shí)超聲波流量計(jì)聲道上的平均速度存在較大差異，擾流件引起的流態(tài)畸變可能會造成測量誤差最高可達(dá)20%左右。對于有整流裝置情況，整流器極大限度地減少了流態(tài)畸變，相同流量條件下無/有擾流時(shí)超聲流量計(jì)聲道的平均速度較為接近，偏差均在2.0%以內(nèi)，顯著減少了管內(nèi)流態(tài)畸變對超聲波流量計(jì)測量精度的負(fù)面影響。

圖6 超聲波流量計(jì)聲道上的瞬時(shí)速度分布

表1 無/有擾流時(shí)超聲流量計(jì)聲道上平均速度的比值

3.2 擾流件距離的影響

擾流件下游流動(dòng)自身會逐漸恢復(fù)，距離越遠(yuǎn)其影響會越小，研究流量計(jì)與擾流件的距離影響，以便明確整流裝置的安裝要求。為此，對比了距離L=3d、5d、7d和10d這4種工況的流場情況。

圖7和圖8給出了2種流量情況下，不同安裝距離時(shí)超聲流量計(jì)流量測量段x-y和x-z平面內(nèi)聲道上的時(shí)均速度分布。由圖7(a)和圖8(a)可見，在4種距離情況下x-y平面內(nèi)流速分布相對都比較對稱；x-z平面內(nèi)流速分布，當(dāng)距離為3d時(shí)還存在較嚴(yán)重偏斜，當(dāng)整流裝置與擾流件距離在5倍管徑以上時(shí)，管內(nèi)流態(tài)畸變已經(jīng)能夠得到較好糾正，安裝整流裝置后，超聲波流量計(jì)上游直管段可要求為5倍管徑。此外，x-y平面內(nèi)流速分布更加對稱和均勻。即，當(dāng)超聲波流量計(jì)換能器聲道與彎頭(本研究中與其靠近的彎頭)在同一平面內(nèi)時(shí)測量誤差相對較小。

圖7 0.75Qmax時(shí)超聲流量計(jì)不同聲道上的時(shí)均流向速度分布

圖8 0.1Qmax時(shí)超聲流量計(jì)不同聲道上的時(shí)均流向速度分布

表2給出了超聲波流量計(jì)x-y和x-z平面聲道上時(shí)均速度的均值。

由表2數(shù)據(jù)可見，隨著整流裝置與擾流件的距離增大，x-y和x-z平面聲道上速度均值的差值隨之減小，表明流量計(jì)內(nèi)部的速度分布趨于均勻。此外，當(dāng)間距大于5倍管徑時(shí)繼續(xù)增大間距，兩聲道上速度均值的差值無明顯減小，表明整流裝置與擾流件的安裝間距滿足要求后繼續(xù)增大間距所帶來的有利影響有限，反映出本文所設(shè)計(jì)的整流裝置具有良好的整流效果。

表2 超聲流量計(jì)x-y和x-z平面聲道上時(shí)均流向速度的均值

4 結(jié)論

本文采用大渦模擬方法對超聲波流量計(jì)內(nèi)部的流場進(jìn)行仿真，分析了所設(shè)計(jì)的復(fù)合整流裝置對流量計(jì)內(nèi)部畸變流場的整流效果。主要結(jié)論如下。

①整流裝置采用起旋器與蜂窩整直器組合的整流裝置設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)緊湊，DN50的整流裝置長度只有90 mm。

②采用流體力學(xué)數(shù)值模擬方法對整流裝置效果進(jìn)行了仿真分析。在雙彎頭+半開平板的嚴(yán)重?cái)_流條件下，未加裝整流裝置時(shí)，位于擾流件下游5d的流量計(jì)流速分布仍出現(xiàn)嚴(yán)重偏斜和畸變，聲道上平均流速與真實(shí)流速偏差達(dá)20%；有整流裝置時(shí)，聲道上流速均值偏差2.0%以內(nèi)，整流效果明顯。

③加裝整流裝置后，上游擾流件距離超過5倍管徑時(shí)流速分布即可滿足超聲流量計(jì)測量需要，縮短了流量計(jì)對上游直管段的長度要求。