摘 要(yào)： 超聲流量(liàng)計
非實流标定方法(fǎ)中一個尚待解(jiě)決的問題是超(chāo)聲探頭安(ān)裝位置對流量測量的影(yǐng)響，該(gāi)問題(tí)始終制約着超(chāo)聲(shēng)流量計(jì)非實流标定技術(shù)的發展。爲(wèi)解(jiě)決這(zhè)一難(nán)題，提出利(lì)用計算流體動力學數值仿真(zhēn)來研(yán)究這(zhè)一問(wèn)題的方法。基于(yú)實流試(shì)驗獲得超聲(shēng)流量計探(tàn)頭位(wèi)置對其測(cè)量結(jié)果的(de)定量(liàng)影響，并将其作(zuò)爲數(shù)值(zhí)仿真依據，探索仿真模(mó)型(xíng)建立方法；在(zài)驗證數值(zhí)仿真方法(fǎ)的基礎上對超聲探頭的(de)兩個(gè)典(diǎn)型安裝(zhuāng)位(wèi)置(zhì)——全伸和全(quán)縮進行研究；通(tōng)過分析流(liú)場流(liú)動機理、各聲道(dào)速度分布(bù)以及(jí)探頭處(chù)的流場(chǎng)變化(huà)，最終獲得探頭(tóu)安裝(zhuāng)位置(zhì)對流量(liàng)測量的影響規(guī)律以及(jí)産生的測量誤差。兩個安裝位(wèi)置相(xiàng)比，探(tàn)頭全(quán)伸比全縮測量效果更好(hǎo)，即推(tuī)薦探頭(tóu)全(quán)伸爲(wèi)超聲(shēng)流(liú)量計探(tàn)頭最(zuì)佳安裝位置。
關鍵(jiàn)字(zì)： 超聲流量(liàng)計 數值仿(páng)真 超聲探頭 非實流(liú)标定
0 前言(yán)
超聲流量(liàng)計近(jìn)十年(nián)發(fā)展(zhǎn)迅速(sù)，與傳統流量計(jì)相(xiàng)比(bǐ)，具有(yǒu)無可(kě)動部件、管(guǎn)道(dào)中(zhōng)無阻擋件(jiàn)、無壓(yā)力損(sǔn)失(shī)，測量範(fàn)圍寬(kuān)、重複性高(gāo)等優點，其(qí)中最(zuì)爲突出的(de)優點是可用于大管(guǎn)徑流(liú)量測量，且具有較高的測量精度(dù)。目(mù)前，多(duō)聲道超聲流量計廣泛應用于(yú)國内外大型水(shuǐ)電站(zhàn)輸水管道的流量(liàng)計(jì)量，以實現水輪機效(xiào)率和狀态(tài)的在(zài)線監(jiān)測。此(cǐ)外，美(měi)國、荷(hé)蘭、英國和德國等12個國家(jiā)已将(jiāng)多聲道超聲流(liú)量計應用(yòng)于15cm（6in）以(yǐ)上(shàng)口徑的(de)天然(rán)氣貿易輸(shū)送計量。我國在(zài)“西氣(qì)東輸”工(gōng)程(chéng)中，也正在(zài)研究将超聲流量計(jì)取代(dài)傳(chuán)統的孔(kǒng)闆(pǎn)流量計達到(dào)準确計(jì)量、節(jiē)能(néng)降耗的(de)目(mù)的。但(dàn)在其使(shǐ)用過程(chéng)中存(cún)在一個亟(jí)待解決的(de)問題(tí)，即受流量标準(zhǔn)裝置口徑(jìng)的限制，無(wú)法(fǎ)對大口(kǒu)徑超聲流量計(jì)進行(háng)實(shí)流标定(dìng)。因此，近(jìn)些(xiē)年來(lái)研究人員也在探索對(duì)其進行非實流标定的(de)方法(fǎ)，并取(qǔ)得了(le)顯著成(chéng)果(guǒ)。時(shí)差式超聲流(liú)量計(jì)的測量原理是(shì)基于長度和時(shí)間這兩個基本(běn)量的結合，其導(dǎo)出量溯源性較(jiào)好。對于(yú)符(fú)合國(guó)際标(biāo)準的多聲(shēng)道超聲流(liú)量計(jì)，其流(liú)量積分公式中的(de)所(suǒ)有系(xì)數均是确定不(bú)變的，這爲非實(shí)流(liú)标(biāo)定方法精(jīng)度打下了基礎(chǔ)。
在落(luò)實和完善(shàn)非實流标定方法的過程(chéng)中，存在一個關鍵問(wèn)題尚(shàng)待研究和(hé)解決。美國(guó)國家規程（asmeptc18-2002）提(tí)到：超聲(shēng)探頭(tóu)相對于管(guǎn)道内壁凹陷或(huò)凸起會對測量産生影響。凹陷(xiàn)會使流(liú)場産生扭曲(qǔ)變形；凸起(qǐ)會(huì)使測量(liàng)聲道的流速不(bú)完整(zhěng)，導緻測量(liàng)值偏(piān)低。一般聲(shēng)道長(zhǎng)度爲1m時會偏低0.35％，5m時偏低0.05％，這(zhè)個誤(wù)差取(qǔ)決于超聲(shēng)傳感器(qì)
的設計(jì)和安裝。雖(suī)然标準中(zhōng)已(yǐ)有提及(jí)，但學者對于該(gāi)方面的研究卻(què)很少，缺乏(fá)強有(yǒu)力的理論分析(xī)和數(shù)據支(zhī)撐。1996年(nián)voser通過數(shù)值仿真(zhēn)方法研究(jiū)8聲道(dào)超聲流(liú)量(liàng)計探(tàn)頭插入管道内(nèi)壁對(duì)測量的影響，指出當口徑(jìng)大于(yú)2m且流速不(bú)低于0.1m/s時，探(tàn)頭對(duì)測量的影響可(kě)以在±0.5％以内(nèi)，口徑越小(xiǎo)，探頭(tóu)對流(liú)場的影響(xiǎng)越嚴(yán)重，測量誤(wù)差越(yuè)大。但(dàn)文章(zhāng)中并未分(fèn)析解釋造(zào)成這(zhè)種影響的(de)原因，隻給出(chū)了(le)最後(hòu)的定量結論。1998年(nián)lowell等通(tōng)過試(shì)驗方法驗證了voser的(de)結論，但同樣(yàng)缺少對結論的(de)分析和解(jiě)釋。2006年(nián)renaldas利用溫(wēn)差式風(fēng)速儀對探頭凹(āo)陷在管壁的情(qíng)況實測了(le)各聲(shēng)道的速度(dù)分布，指出凹槽處流(liú)動會産(chǎn)生(shēng)扭曲(qǔ)，破壞速度分布(bù)的對稱性，進而對流量測(cè)量造(zào)成影(yǐng)響。文(wén)中的分析是對前人(rén)研(yán)究成果(guǒ)的補(bǔ)充和(hé)解釋，但仍(réng)無法(fǎ)獲知探頭(tóu)對管(guǎn)道内整個流場造成的影(yǐng)響(xiǎng)。本(běn)文在前人(rén)研究工作(zuò)的(de)基(jī)礎上，基于(yú)實流(liú)試驗和數值仿真同時(shí)開(kāi)展研究，對探頭插入管道(dào)以及凹陷在管壁兩(liǎng)個典型位置進行讨論。實流試(shì)驗獲(huò)得宏觀的定量(liàng)結論，且作爲驗(yàn)證數(shù)值仿(páng)真的(de)基礎。再(zài)通過數值仿真從微觀上分析(xī)探頭對(duì)流場内部的(de)影(yǐng)響，獲得探(tàn)頭安(ān)裝位(wèi)置(zhì)對流量(liàng)測量(liàng)的影(yǐng)響規律(lǜ)，進而定量給(gěi)出探頭影響引入的測量誤差(chà)。
1 仿真模型建立
dn50018聲道(dào)超(chāo)聲流量(liàng)計，聲道(dào)布(bù)置形(xíng)式以(yǐ)及流量(liàng)計(jì)算參(cān)照(zhào)asmeptc18-2002，如圖1所示。
圖(tú)1 dn500 18聲道超聲(shēng)流量計(jì)
本(běn)文主(zhǔ)要對探頭安裝(zhuāng)的兩個典(diǎn)型位置，即(jí)全伸(shēn)和全(quán)縮進(jìn)行(háng)研究，定義如(rú)圖2所示。所(suǒ)謂全(quán)伸爲探頭(tóu)的前(qián)端(duān)面全部(bù)伸入到管(guǎn)道内(nèi)壁（圖2a）；全縮爲探(tàn)頭的前(qián)端面全(quán)部縮回到管道(dào)内壁(bì)（圖2b）。
圖(tú)2 探頭安裝位置
兩個(gè)典型(xíng)位(wèi)置(zhì)的超聲流量計建模(mó)如(rú)圖(tú)3所示(shì)，爲超(chāo)聲流量計(jì)安裝(zhuāng)位置(zhì)的局部放大圖(tú)。在(zài)超聲流(liú)量計上遊有10d（d爲管道直徑）前直(zhí)管段(duàn)，下遊有5d後(hòu)直管(guǎn)段，保證管道内爲充(chōng)分發展流(liú)動(dòng)。
圖(tú)3 建模(mó)模(mó)型
仿真使用的是(shì)流體力學(xué)專用軟件fluent和前(qián)處理軟件gambit。爲了(le)确定網格(gé)、湍流模(mó)型(xíng)、離散(sàn)格式(shì)等關鍵參(cān)數，首(shǒu)先以彙中的試驗數(shù)據作爲仿真方法的驗證(zhèng)。由于(yú)試驗裝置(zhì)條件所限，隻進(jìn)行了三(sān)個(gè)流量(liàng)點的(de)實流試驗(yàn)，如表(biǎo)1所示(shì)爲探(tàn)頭全(quán)伸情況，來(lái)流速(sù)度分别(bié)爲(wèi)0.307m/s、1.004m/s和2.718m/s時的試驗和仿真結(jié)果對比。
表1 試(shì)驗(yàn)仿真結(jié)果對比
表(biǎo)1中，“被校表(biǎo)流量”指本(běn)文研究的(de)dn500 18聲道(dào)超聲流(liú)量(liàng)計的(de)測量結果(guǒ)，用qt表示；“标(biāo)準表(biǎo)流量(liàng)”指進行實流試驗時(shí)标準表電(diàn)磁流量計(jì)的測量結(jié)果，用(yòng)q表示(shì)，仿(páng)真(zhēn)和實流試(shì)驗均以(yǐ)該值作(zuò)爲流量(liàng)标(biāo)準值；“誤差”的(de)定義爲(wèi)
由表1可知(zhī)，仿真結果(guǒ)與實流試(shì)驗結果能夠很(hěn)好地吻合，說明(míng)本文采(cǎi)用(yòng)的仿真方(fāng)法是正确(què)合理的(de)，可将該仿真(zhēn)模(mó)型應用(yòng)到探頭全伸情(qíng)況的其(qí)他流速(sù)點以及(jí)用(yòng)來研究探(tàn)頭全(quán)縮情(qíng)況，以(yǐ)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(xiàn)制，不(bú)對模(mó)型、網格建(jiàn)立以(yǐ)及重(zhòng)要參(cān)數的(de)設置(zhì)過程(chéng)進行(háng)詳(xiáng)細(xì)介紹，隻給(gěi)出最(zuì)終的(de)模型方案(àn)：将整個計(jì)算域(yù)分成(chéng)三個部(bù)分，前直(zhí)管段(duàn)、超聲流量(liàng)計和後直(zhí)管段(duàn)，分别進行(háng)網格(gé)劃分。其中，前、後(hòu)直管段(duàn)采用六(liù)面體(tǐ)網格，一方(fāng)面保(bǎo)證了網格(gé)質量(liàng)，另一(yī)方面(miàn)大幅度減少了網格數量(liàng)。由于(yú)靠近(jìn)管壁處速(sù)度(dù)梯度較(jiào)大，因(yīn)此對壁(bì)面附近(jìn)網格(gé)進行了局(jú)部加(jiā)密(mì)，采用邊(biān)界層網格(gé)，按照(zhào)firstrow（第一層網(wǎng)格尺(chǐ)寸）、growthfactor（尺(chǐ)寸增(zēng)長系數）、rows（層數）依(yī)次爲(wèi)1、1.1、15進行設(shè)置(zhì)。超聲流量(liàng)計部分是(shì)流量計算(suàn)的關(guān)鍵區(qū)域，特别(bié)是(shì)超聲探頭(tóu)尺寸(cùn)（直徑12mm）相(xiàng)對管徑(jìng)（dn500）來說很(hěn)小(xiǎo)，因此采用了設置增(zēng)長函數(shù)的四面(miàn)體網格方案（圖(tú)4），以各個(gè)探頭爲(wèi)源面網格尺寸(cùn)由小變(biàn)大(dà)，保證(zhèng)了探頭(tóu)附近的(de)網格局部(bù)加密(mì)。最終(zhōng)整(zhěng)個(gè)計算(suàn)域的(de)網格(gé)總數(shù)量爲700萬左右。湍(tuān)流模型(xíng)采用rsm，simple算(suàn)法，一階離(lí)散格(gé)式。邊界條件爲均勻速度入口(kǒu)，出流(liú)出口，體與體之間連接面(miàn)采用(yòng)交接面，介質爲水(shuǐ)，壁面光(guāng)滑。
圖4 計算域網(wǎng)格剖(pōu)分圖
2 仿真(zhēn)結果分析(xī)
以下(xià)将對超聲(shēng)探頭全伸和全(quán)縮兩(liǎng)個典型位置的(de)流場及其測量(liàng)特性進(jìn)行分(fèn)析，在此(cǐ)之前(qián)先對(duì)dn50018聲道(dào)各(gè)聲道的(de)命名(míng)進行規定(dìng)，如圖5所示，流體(tǐ)沿x軸正方向(xiàng)流動。
圖5 18聲道命名(míng)規定
2.1 探頭(tóu)全伸(shēn)仿真(zhēn)結果
由于(yú)超聲流量計上(shàng)遊及(jí)下(xià)遊均爲(wèi)直管段(duàn)，且(qiě)沒有(yǒu)阻流件影響，因(yīn)此管(guǎn)道(dào)内部流(liú)場應爲軸對稱(chēng)分布。以下(xià)僅給(gěi)出了(le)v=1.004m/s時(shí)最短聲道1和(hé)最(zuì)長(zhǎng)聲道(dào)5上軸向速度分(fèn)布圖和聲道截(jié)面上軸向速度(dù)等值線圖，來說(shuō)明探頭(tóu)全伸對(duì)流場造成的影響(xiǎng)。
由圖6分析，探(tàn)頭伸入(rù)管道内(nèi)部會(huì)在探頭下(xià)遊産生(shēng)回(huí)流（圖(tú)6）。對于(yú)上遊側的探頭(tóu)來(lái)說(shuō)，回流(liú)正好(hǎo)位于聲(shēng)道(dào)上，因此呈現出負速(sù)度(dù)；而(ér)對于(yú)下遊(yóu)側的(de)探頭(tóu)，雖然也有(yǒu)回流(liú)存在，但卻不在(zài)聲道(dào)上，因此不(bú)會影響(xiǎng)聲道上(shàng)的速(sù)度分布。整(zhěng)體(tǐ)來看，探頭伸(shēn)入管道造成(chéng)了聲道上速(sù)度分(fèn)布的(de)嚴(yán)重不對(duì)稱（圖(tú)7）。聲道1和聲(shēng)道5對(duì)流場的影(yǐng)響趨勢相同，但(dàn)聲道5探頭(tóu)伸入管道内的(de)長度(dù)相對較短，因此(cǐ)對(duì)速度(dù)分布造成的影響沒有(yǒu)聲道1明顯(xiǎn)（圖7b）。需(xū)要特别指出，聲(shēng)道1靠近(jìn)下遊側(cè)的速度分布有(yǒu)一凹(āo)陷處（圖7a），這(zhè)是由(yóu)于聲道1和(hé)聲道10探頭距離(lí)較近(jìn)，聲道1下遊(yóu)側正好(hǎo)位(wèi)于聲(shēng)道1上遊探頭的(de)尾迹區域(yù)，造成(chéng)了兩探(tàn)頭(tóu)之間(jiān)的相(xiàng)互影(yǐng)響。
圖6 聲道(dào)截面軸向(xiàng)速度等值線圖
圖7 沿(yán)聲道(dào)軸向(xiàng)速度分布
由表1的初(chū)步仿真結(jié)論(lùn)已(yǐ)表明，探頭(tóu)全伸會對流量(liàng)測量(liàng)産生(shēng)負誤差，而(ér)且(qiě)随着流(liú)速增(zēng)大，誤差有(yǒu)增大的(de)趨勢。以(yǐ)下将針對這一(yī)現象進行分析(xī)，除表1給(gěi)出(chū)的三(sān)個流(liú)速外，又進(jìn)行(háng)了6m/s和(hé)8m/s兩(liǎng)個流(liú)速點(diǎn)的(de)仿真，各聲道上(shàng)平(píng)均速(sù)度的(de)歸一(yī)化速度分布如(rú)圖8所(suǒ)示。圖8中(zhōng)，5dup表示超(chāo)聲流量計上遊(yóu)5d位置(zhì)，同樣采用(yòng)18聲道布置形式(shì)且不(bú)考(kǎo)慮(lǜ)探頭(tóu)影響時的情況(kuàng)，将其(qí)積分流量(liàng)作爲流量标準值來(lái)進(jìn)行讨論(lùn)。
圖8 探頭全伸時(shí)18聲道平均速度(dù)歸一化比較
由(yóu)圖8可以清晰地(dì)看到，相對于5dup18聲道的速度(dù)廓形(xíng)（标準值），各流速(sù)點情況的速度廓形(xíng)幾乎都低于标(biāo)準值，隻有(yǒu)v=0.307m/s時靠(kào)近管(guǎn)道中(zhōng)心的幾個(gè)聲道(dào)（聲道4、5、6、13、14、15）略高于标(biāo)準值。從這個角度分(fèn)析，各(gè)流速(sù)點18聲(shēng)道積分得(dé)到(dào)的流量(liàng)值勢必小(xiǎo)于(yú)5dup18聲道(dào)積(jī)分流量值(zhí)，造成測量誤(wù)差均爲(wèi)負值。進一步分析，随(suí)着(zhe)流速逐(zhú)漸增大(dà)，速度廓(kuò)形趨(qū)于平緩，即(jí)靠近管(guǎn)道(dào)中心的幾(jǐ)個聲道平(píng)均速度(dù)逐(zhú)漸減(jiǎn)小，且廓形有重(zhòng)合的趨(qū)勢(shì)。當v=6m/s、v=8m/s時(shí)，測量(liàng)誤差增大的趨勢逐漸減(jiǎn)小且趨于穩定(dìng)（表2）。用湍流(liú)速度(dù)分布理論(lùn)可以(yǐ)解釋這一結果：re越大，管内速度分布越(yuè)趨于平(píng)緩，且(qiě)變化越小。因此可以推論(lùn)，對于探(tàn)頭全伸(shēn)情況，當流(liú)速大到(dào)一定程(chéng)度，測(cè)量誤差将不随(suí)來流速度(dù)變化(huà)而變化，趨于穩定。
表2 流(liú)速增大(dà)時的(de)仿真(zhēn)結果(guǒ)
2.2 探頭(tóu)全縮仿真結果
與前述研(yán)究方法類似，以(yǐ)下僅給(gěi)出v=0.994m/s時最短聲道1和最長(zhǎng)聲道5上軸(zhóu)向速(sù)度分(fèn)布圖(tú)和聲(shēng)道截面上軸向(xiàng)速度(dù)等值線圖(tú)，來說明探頭全(quán)縮對流場造成(chéng)的影響。
由(yóu)圖9可知，流體(tǐ)在流經(jīng)探頭(tóu)位置時，由(yóu)于(yú)在(zài)管(guǎn)壁内側(cè)有一(yī)凹槽，流(liú)體在聲(shēng)道兩端均(jun1)會産生(shēng)回(huí)流，出現負速度，使得(dé)沿聲道速(sù)度分(fèn)布基本對(duì)稱（圖(tú)10）。此外，凹槽内的流速相對較小(xiǎo)，随着探頭縮入管道内壁(bì)的長(zhǎng)度逐漸減小(xiǎo)，凹槽區逐漸(jiàn)減小(xiǎo)，相應(yīng)低流(liú)速區(qū)域也(yě)逐漸(jiàn)減小(xiǎo)（圖10）。
圖9 聲(shēng)道截面軸向(xiàng)速度等值線圖(tú)
圖10 沿聲道(dào)軸向速度分布(bù)
雖然探頭全縮時對(duì)流場的影(yǐng)響與探頭(tóu)全伸(shēn)時截然不同，但最終都(dōu)會使各聲道上産生負(fù)速度，進(jìn)而(ér)使積(jī)分流量值偏小(xiǎo)。表3給出了(le)探頭(tóu)全縮(suō)情況時5個(gè)流速點的仿真結果。
表3 探頭全(quán)縮仿真結果
可以看出(chū)，探頭全(quán)縮時的測量誤差仍爲負(fù)值，與全伸情況類似。但此位置的誤(wù)差明顯比全伸時大(dà)了許(xǔ)多（表2）。将歸一化的各流速(sù)點18聲道平(píng)均速度(dù)仍(réng)與5dup18聲道進(jìn)行比較（圖(tú)11）。
圖11 探頭全(quán)縮時(shí)18聲道(dào)平均速度(dù)歸一化(huà)比(bǐ)較
由圖11可知，無(wú)論哪(nǎ)個流(liú)速下(xià)，各聲(shēng)道平均速度值(zhí)均低于5dup标準值(zhí)，這是(shì)由(yóu)于管壁(bì)凹槽(cáo)區的(de)存在(zài)使得聲道上低(dī)流速區域擴大(dà)，造成(chéng)各聲道上(shàng)的平均流(liú)速比(bǐ)标準值偏低(dī)，進(jìn)而使得(dé)18聲(shēng)道積分結果誤差爲(wèi)負，且(qiě)比探頭全(quán)伸情(qíng)況負得更(gèng)多。此外，各流速(sù)下的速度(dù)廓形(xíng)之間比較(jiào)，幾條曲線(xiàn)基(jī)本(běn)重合(hé)，幾乎不随(suí)來流(liú)速度變化而(ér)有(yǒu)大的波動，因此(cǐ)與全伸情況相(xiàng)比，全縮時的測(cè)量誤差對來流(liú)速度不敏感，從表3也可反映。
3 結(jié)論
通過對(duì)超聲(shēng)探頭(tóu)兩(liǎng)個典型(xíng)位置——全伸(shēn)和全(quán)縮的數值仿真(zhēn)研究，得到以下(xià)結論(lùn)。
（1）利用數值(zhí)仿真進行超聲(shēng)探頭對測量影(yǐng)響的研究(jiū)，該方法是(shì)可行(háng)且有效的(de)，本(běn)文(wén)提出(chū)了模型建立方(fāng)法(fǎ)。
（2）探(tàn)頭全(quán)伸和(hé)全縮時都會造(zào)成流(liú)量測(cè)量的負誤差，沿各聲道均(jun1)會産(chǎn)生負(fù)速(sù)度，但由于二(èr)者産生機理不(bú)同造(zào)成負速度出現(xiàn)的位置也不同(tóng)。探(tàn)頭全伸(shēn)時，由(yóu)于(yú)聲(shēng)道一(yī)端位于探頭下(xià)遊尾(wěi)迹區(qū)，回流(liú)産生負速度，而(ér)另一(yī)端不受影(yǐng)響，因此速度始(shǐ)終爲正；探(tàn)頭全(quán)縮時(shí)，由于(yú)管壁(bì)有凹槽(cáo)，使得凹(āo)槽區内的(de)流速均較低，且聲道兩端均會産生(shēng)回流，造成(chéng)負速(sù)度。
（3）探(tàn)頭(tóu)安裝位(wèi)置對流量測量的影(yǐng)響不可忽(hū)視。兩個(gè)安(ān)裝位(wèi)置相比，探(tàn)頭全(quán)伸比全縮測量(liàng)效果(guǒ)更好，因此(cǐ)推薦超聲流量計采(cǎi)用探頭(tóu)插(chā)入管道這種安裝方式來進行(háng)流量測量(liàng)。
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