摘 要： 超聲流量(liàng)計
非實流标定方法中一個尚待解決的問題是超聲探頭(tóu)安裝位置(zhì)對流量測量的影響，該問題始終制約着超聲流量計非實流标定技術的發展。爲解決這一難題，提出利用計算流體動力學數值仿真來研究這一問(wèn)題的方法(fǎ)。基于實流試(shì)驗獲得超聲(shēng)流量計探(tàn)頭位置對其測量結果的定量影響，并将其作爲數值仿真依(yī)據，探索仿(páng)真模型建立方法；在(zài)驗證數值仿真(zhēn)方法的基礎上對超聲探頭的兩個(gè)典(diǎn)型安裝(zhuāng)位置——全伸和全縮進行研究；通過分析流場流動機理、各聲道速度分布以及探頭處的流場(chǎng)變化，最終獲得探頭(tóu)安裝位置對流量測(cè)量的影響規律以及(jí)産生的測量誤(wù)差。兩個安裝位置相比，探頭全伸比全縮測量效果(guǒ)更好，即推薦探頭全伸爲(wèi)超聲流量計探頭最佳安裝位置。
關鍵字： 超聲流量(liàng)計 數值仿(páng)真 超聲探頭 非實流标定
0 前言
超聲流量計近十年發展迅速，與傳統流量計相比，具有無可動部件、管道中無阻擋件、無壓力損失，測量範圍寬、重複性高等優點，其中最爲突(tū)出的優點(diǎn)是可用于大管徑流量測量，且具有(yǒu)較高的測量精度。目前，多聲道超聲流量計廣泛應用于(yú)國内外大型水電站(zhàn)輸水管道的(de)流量計量，以實現水輪機效率和狀(zhuàng)态的在線監(jiān)測。此(cǐ)外，美國、荷蘭、英國和德國等(děng)12個國家已将多聲道超聲流量計應用于15cm（6in）以上口徑的天然氣(qì)貿易輸(shū)送計量。我國在“西氣(qì)東輸”工程中，也正在(zài)研究(jiū)将超聲流量計取代傳統的孔闆流(liú)量計達到準确計量、節能降耗的(de)目的。但在(zài)其使用過(guò)程中存(cún)在一個(gè)亟待解決的問題，即受流量标準(zhǔn)裝置口徑(jìng)的限制，無法對大口徑超聲流量計(jì)進行實流标定。因此，近些年來(lái)研究人員也在探索對其進行非實流标定的方法，并取得了(le)顯著成果(guǒ)。時差式超聲流量計的測量原理是(shì)基于長度(dù)和時間(jiān)這兩個基本量的(de)結合，其導出量溯源性較(jiào)好。對于符(fú)合國際标(biāo)準的多聲道超聲流量計，其流量積分公式中的所有系數均(jun1)是确(què)定不變的(de)，這爲非實流标定方法精度打下了基礎。
在落實和完善(shàn)非實流标定方法的(de)過程中，存在一個關鍵問題尚待研究和解決。美國(guó)國家規程（ASMEPTC18-2002）提到：超(chāo)聲探頭相對于管道内壁凹陷或凸起會對測量産生影響(xiǎng)。凹陷會使流(liú)場産生扭曲變形；凸起會使(shǐ)測量聲道(dào)的流速不完整，導緻測量值偏低(dī)。一般聲道長度爲1m時會偏低0.35％，5m時偏低0.05％，這個誤差取決于超聲傳感器
的設計和安裝。雖然标準中(zhōng)已有提及(jí)，但(dàn)學者對于該方面的研究卻很少，缺乏強有力的理論分析和數據(jù)支撐。1996年VOSER通過數值仿真(zhēn)方法研究8聲道超聲流量計探頭插(chā)入管道内壁對測量的影響，指出當口徑大于2m且流速不低于0.1m/s時，探(tàn)頭對測量的影響可以在(zài)±0.5％以内，口徑越小，探頭對流(liú)場的影響越嚴重，測量誤差越大。但文章(zhāng)中并未分析解釋造(zào)成這種影響的原因，隻給出了最後的定量結論。1998年LOWELL等通過試驗方法驗(yàn)證了VOSER的結論，但同樣缺少對結論的分析和解釋。2006年RENALDAS利用溫差式風速儀(yí)對探頭凹(āo)陷在管壁的情況實測了各聲道的速度分布，指出凹槽處流動會産生扭曲，破壞速度分布(bù)的對(duì)稱性，進而對流量測(cè)量造(zào)成影響。文(wén)中的分析是對前人研究成果的補充和解釋(shì)，但仍無法獲知(zhī)探頭對管(guǎn)道内整個流場造成的影響。本(běn)文在前人研究工作的基礎上，基于實流試驗和數值仿真同(tóng)時(shí)開展研究，對探頭插入管道以及凹陷在管壁兩個典型位置進行讨(tǎo)論。實流試驗獲得宏觀的定量結論，且作爲驗證數(shù)值仿真的基礎。再通過數值仿真從微觀(guān)上分析探頭對流場内部的影(yǐng)響，獲得探頭安(ān)裝位置對流量(liàng)測量的影響規律，進而(ér)定量給(gěi)出探頭影(yǐng)響引入的(de)測量誤差。
1 仿真模型建立(lì)
DN50018聲道超聲流量計(jì)，聲道布置形式以及流量計算參照ASMEPTC18-2002，如圖1所示。
圖(tú)1 DN500 18聲道(dào)超聲流量計
本文主要對探頭安裝的兩個典型位置(zhì)，即全伸和全縮進行研究，定義如圖2所示。所謂全伸爲探頭的前端面全部伸入到管道内壁（圖2a）；全縮爲探頭的前端面全部縮(suō)回到管道内壁（圖(tú)2b）。
圖2 探頭安裝位置
兩個典型位(wèi)置的(de)超聲流量計建模(mó)如圖3所示，爲超(chāo)聲流量計安裝位置(zhì)的局部放(fàng)大圖。在超聲流量計上遊有(yǒu)10D（D爲管道直徑）前直管段，下遊有5D後直管段，保證管道内爲充分發展流動。
圖3 建模(mó)模型
仿真使用的是流體力學(xué)專用軟件Fluent和前處理軟件Gambit。爲了确定網格、湍流模型、離散格式(shì)等關鍵參數，首先以彙中的試驗數據作爲仿真方法的驗證。由于試驗裝置條件(jiàn)所限，隻進行了三個流量點的(de)實流試驗，如表1所示爲探(tàn)頭全伸情況，來流速度分别爲0.307m/s、1.004m/s和2.718m/s時的試驗和仿真結果對(duì)比。
表1 試驗仿真結果對比
表1中，“被校表流量”指本文研究的(de)DN500 18聲道超聲流量計的測量結果，用qt表示；“标準表流量(liàng)”指進行實流試驗時(shí)标準表(biǎo)電磁流量計的測量結果，用(yòng)q表示，仿真和實流試驗均以該值作爲流量标準值；“誤差”的定義爲
由表(biǎo)1可知，仿真結果與實流試(shì)驗(yàn)結果能夠很好地吻合，說明本文(wén)采用(yòng)的仿(páng)真方法是正确(què)合理的，可将該仿真(zhēn)模型應用到探頭(tóu)全伸情況的其他(tā)流速點以(yǐ)及用來研究探頭全縮情況(kuàng)，以作爲研究(jiū)探頭安裝位置對測量影響的重要研究手段(duàn)。
受篇幅限制，不對模型、網格建立以及重(zhòng)要參(cān)數的(de)設置過程進行詳(xiáng)細介紹，隻給出最終的(de)模型方案：将整個計算域分成三個部分(fèn)，前直管段、超聲流量(liàng)計和後直管段，分别進行網格劃分。其中(zhōng)，前、後直管段采用六面體網格，一方面保證了網格質量，另一方面大幅度減少了(le)網格數量。由于靠近管壁處速(sù)度梯度較大，因此對壁面附近(jìn)網格進行(háng)了(le)局部加密，采用邊(biān)界層網格，按照FirstRow（第一層(céng)網格尺寸）、GrowthFactor（尺寸增長系數）、Rows（層數）依次爲1、1.1、15進行設置。超聲流量計(jì)部分是流量計算的關(guān)鍵區域，特别是超聲探頭尺(chǐ)寸（直徑12mm）相對管徑（DN500）來說很小，因此采用了設(shè)置增長函數的四面體網格方案（圖4），以各個探頭爲源面網格尺寸由小變大，保證了探頭附近的(de)網格局(jú)部加密。最終整(zhěng)個計(jì)算域的網格(gé)總數量爲700萬左右。湍(tuān)流模型采用RSM，SIMPLE算法，一階離散格(gé)式。邊界條件爲(wèi)均勻速度入口(kǒu)，出流出口，體與(yǔ)體之間連接面采用交接面，介(jiè)質爲水，壁面光滑。
圖4 計算域(yù)網格剖分(fèn)圖
2 仿真結果分析(xī)
以下将對超聲探頭全伸和全縮兩個典(diǎn)型位置的(de)流場及其測量特性(xìng)進行分析(xī)，在此之前先對DN50018聲道各聲道的命名(míng)進行規定，如圖5所示，流體(tǐ)沿x軸正方向流動。
圖5 18聲道(dào)命名規定
2.1 探(tàn)頭全伸仿真結(jié)果
由于(yú)超聲流量計上遊及下遊均爲直管段，且沒有阻流件影響，因此管(guǎn)道内部流場應(yīng)爲軸對稱分布。以下(xià)僅給出了v=1.004m/s時最短聲道1和最長聲道5上軸向速度分布圖和聲(shēng)道截面上軸向速度等值線圖(tú)，來說明探頭全(quán)伸對流(liú)場造成的影響。
由圖6分析，探(tàn)頭伸入管道内部會在探頭下遊産生回流（圖6）。對于(yú)上遊(yóu)側的探頭來(lái)說，回流正好(hǎo)位于聲道上，因此呈現出負速度；而對于下遊側的探頭，雖然也有回流(liú)存在(zài)，但卻不在聲道上，因此不會影響聲道上的速度分布。整體來看，探頭伸入管道造成了聲道上(shàng)速度分布的嚴重不對稱（圖7）。聲(shēng)道1和聲道5對流場的影響趨勢(shì)相同，但聲道5探頭伸入(rù)管道内的長度相對較短，因此對速度分布造成的影(yǐng)響沒有聲道1明顯(xiǎn)（圖7b）。需要特别指出(chū)，聲道1靠近下遊側(cè)的速(sù)度分布有一凹陷處(chù)（圖7a），這(zhè)是由于聲道1和聲道10探頭距離較近(jìn)，聲道1下遊側正好(hǎo)位于聲道1上遊探頭的尾迹區域，造成了兩探頭之間(jiān)的相互影響。
圖6 聲道截面軸向速度等值線圖
圖7 沿聲道軸向速度分布
由表1的初步仿真結論已表明，探頭全伸會對流量(liàng)測量産生負誤差，而且随(suí)着流(liú)速增大，誤差有增大(dà)的趨勢。以下将針對(duì)這一現象進行分析，除表1給出的三個流速(sù)外，又進行了6m/s和8m/s兩(liǎng)個流速點的仿真，各聲道上平均速(sù)度的歸一化速度分布如圖8所示。圖8中，5Dup表示超(chāo)聲流量計上遊5D位置，同樣(yàng)采用18聲道布(bù)置形式且不考慮探頭影響時的情況，将其積分流量作爲(wèi)流量标準值來進行讨論。
圖8 探頭(tóu)全伸時18聲道平均速度歸一化比較
由(yóu)圖8可以清晰地看到，相對于5Dup18聲道的(de)速度廓形（标準值），各流速點情況的速度(dù)廓形幾乎都低于标準值，隻有v=0.307m/s時靠近管道中心的幾個聲道（聲道(dào)4、5、6、13、14、15）略高于标準值。從這(zhè)個角度分析，各流速點18聲道積分得到的流量值勢必小于5Dup18聲道積分(fèn)流量值，造成測量誤差均爲負值。進一步分析，随着流(liú)速(sù)逐漸增大，速度(dù)廓(kuò)形趨于平(píng)緩，即靠近管道中心(xīn)的幾個聲道平均速(sù)度逐漸減小，且廓形有重合的趨勢。當v=6m/s、v=8m/s時，測量誤差增大的趨勢逐(zhú)漸減小且趨于穩定(dìng)（表2）。用湍流速度分布(bù)理論可以解釋這一(yī)結果：Re越大，管内速度(dù)分布越趨于(yú)平緩，且變化越小。因此可以推論，對于探頭全伸情(qíng)況，當流速大到一定程度，測(cè)量誤差将不随來流速度變(biàn)化而變化，趨于穩定。
表2 流速增大時的仿真結果
2.2 探頭全縮仿真結果
與前述研究方法類似，以下僅給出v=0.994m/s時最短聲道1和最長(zhǎng)聲道5上軸向速度分布圖和聲(shēng)道截面上軸向速度等值線圖，來說明探頭全(quán)縮對流場造成的影響。
由圖9可知，流體在流經(jīng)探頭(tóu)位置時，由于在管壁内側(cè)有一凹槽(cáo)，流體在聲道兩端均會産生回流，出現負速度，使得沿聲道速度分布基本對(duì)稱（圖10）。此外，凹槽内的流速相(xiàng)對較小，随着探頭(tóu)縮入管道内壁的長度逐漸減小，凹(āo)槽區逐漸(jiàn)減小，相應低流速區(qū)域也(yě)逐漸減小（圖10）。
圖9 聲道截面軸向速度等值線圖
圖10 沿聲道軸向速度分布
雖然探頭全縮時對流場的影(yǐng)響與探頭全伸時截然不同，但(dàn)最(zuì)終都會(huì)使各聲道上産生負速度，進而使積(jī)分流量值偏小。表3給出了探頭全縮情況(kuàng)時5個流速點的仿真結果。
表(biǎo)3 探頭全(quán)縮仿真結果
可以看出，探頭全縮時的測量誤差仍爲負值，與全伸情況類似。但此位置的誤差明顯比(bǐ)全伸時大了許多（表2）。将歸一化的各(gè)流速點18聲道平(píng)均速度仍與5Dup18聲道進行比較（圖11）。
圖11 探頭全縮時18聲道平(píng)均(jun1)速度歸一化比較
由圖11可知，無論哪(nǎ)個流速下，各聲道平均速度值(zhí)均低(dī)于5Dup标(biāo)準值，這是由于管壁凹槽區的(de)存在使得聲道(dào)上低(dī)流速區域擴大(dà)，造成(chéng)各聲道上的平均流速比标準(zhǔn)值(zhí)偏低，進而使得(dé)18聲道積分結果誤差爲負，且比探頭全伸情況負得更(gèng)多。此外，各流速下的速度廓形之間比較，幾條曲線基本重合，幾乎不随來流速度變化而有大的波動，因此(cǐ)與全(quán)伸情況相比，全縮時(shí)的測量誤差對來流速度不(bú)敏感，從表3也可反映。
3 結(jié)論
通過對(duì)超聲探頭兩(liǎng)個典型位置——全伸和全(quán)縮的數值仿真研究(jiū)，得到(dào)以下結論。
（1）利用數值仿真進行(háng)超聲探頭對測量影(yǐng)響的研究，該方(fāng)法是可行(háng)且有效(xiào)的，本文提出了模型建立方法。
（2）探頭全伸和全縮時都會造成流量測量的負誤差，沿各聲道(dào)均會産生負速度，但由于二(èr)者産生機理不同造成負速度出現的位置也不同。探頭全伸(shēn)時，由于聲道一端位于探頭下(xià)遊尾迹區(qū)，回流産生(shēng)負(fù)速度，而(ér)另一端不受影響，因(yīn)此速(sù)度始終爲正；探頭全縮時，由于管壁有凹槽，使得凹槽區(qū)内的流速(sù)均較低，且(qiě)聲道兩端均會産生(shēng)回流，造(zào)成(chéng)負速度。
（3）探(tàn)頭安裝(zhuāng)位置對(duì)流量(liàng)測量(liàng)的影響不可忽(hū)視。兩(liǎng)個安裝位置相比，探頭全伸比全(quán)縮測量效果更好(hǎo)，因此推薦超聲(shēng)流量(liàng)計采用探頭插入管道這(zhè)種安裝方式(shì)來進行流量測量。
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