針對上游彎管流場變化對超聲波流量計測量精度的影響，利用CFD對測量管道內(nèi)部流場進行數(shù)值仿真模擬，并設(shè)計整流器改善由彎管導(dǎo)致的明顯的二次流和渦流等情況，以減小超聲波流量計測量誤差。研究對象為基于時差法的 DN15 超聲波液體流量計，流量范圍在0.1~1.5m3/h 內(nèi)，上游彎管與流量計之間測試直管段距離為 2~20D。對比超聲波流量計加裝整流器前后測量誤差，通過實驗結(jié)果驗證，未整流時流量計隨著直管段越短測量誤差越大，安裝的整流器可以改善管道內(nèi)流場的速度分布，將直管段長度縮短為 10D，提升超聲波流量計測量誤差滿足在±1.5%以內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬的正確性，對工程實際應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

超聲波流量計具有非接觸、精度高、智能化、壓損低等優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景。超聲波流量計精度受影響主要原因有：計量管段、流場以及回波信號質(zhì)量。其中超聲波回波信號是主導(dǎo)因素，信號采集與處理是流量計的核心，流場不穩(wěn)定對計量結(jié)果產(chǎn)生直接影響。采用時差法*先需要測量一對換能器對射聲束線平均速度，經(jīng)過修正計算得到面平均速度進而推導(dǎo)出流量，流量測量受渦旋產(chǎn)生的徑向速度分量影響較明顯，因此在測量時管段內(nèi)部流動需充分發(fā)展。但在特定場合由于存在上游阻流件會影響管段內(nèi)流場分布，增大測量誤差，工業(yè)現(xiàn)場實際應(yīng)用時 90°彎管較為常見，彎管阻流件改變流場速度分布，產(chǎn)生二次流對測量結(jié)果有著不可忽略的影響。王雪峰等基于 CFD與試驗相結(jié)合方法研究彎管安裝條件，并分析氣體超聲波流量測量誤差影響因素，彎管與安裝位置會對測量結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。楊志超等采用 CFD 方法研究平面和空間彎管存在時，下游熱式氣體流量計測量偏差，加入整流器對于減小測量誤差有明顯作用，可大大縮短直管段的長度。Piotr 等通過三種湍流模型進行液壓彎管的流動模擬與超聲波流量計測量結(jié)果進行對比，討論單個湍流模型的準(zhǔn)確性。YehTT等通過數(shù)值模擬對非理想狀態(tài)下超聲波流量計進行仿真分析，得出強烈的二次流使測量準(zhǔn)確度無法保證，傳統(tǒng)流量系數(shù)曲線不再適用。以往的研究目的是避免安裝效應(yīng)對測量精度的影響，然而在某某些特定應(yīng)用中，由于流體通過彎管之后流場未充分發(fā)展，測量精度受上游阻流件影響很大。本文研究應(yīng)用CFD 對超聲波流量計上游阻流件為彎管時管段內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，分析超聲波流量計測量誤差產(chǎn)生的來源。并設(shè)計整流器對流場進行優(yōu)化，降低特定測試條件下的測量誤差，提高超聲波流量計對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。

1．充分發(fā)展直管段測量誤差

對于管道內(nèi)部流體運動狀態(tài)，可分為未充分發(fā)展和充分發(fā)展兩種情況。充分發(fā)展指管段邊界層厚度與管道直徑相等，充分發(fā)展之前的未充分發(fā)展段稱為初始段。流體進入直管段后都要經(jīng)歷起始到充分發(fā)展流動的過程。

2．?dāng)?shù)值仿真

一般在數(shù)值模擬之前，需驗證數(shù)值仿真準(zhǔn)確性。如圖 1所示理論與模擬系數(shù)進行對比。理論修正系數(shù)通過公式推導(dǎo)計算得到。模擬系數(shù)是通過數(shù)值模擬方法仿真計算出 u L 與u A 的比值。理論與模擬系數(shù)間誤差越小，數(shù)值模擬方法越準(zhǔn)確。

圖 1 理論系數(shù)與仿真系數(shù)對比曲線圖

3．?dāng)?shù)值模擬結(jié)果分析

如圖 2所示為管道內(nèi)部橫截面速度云圖。圖中所展示的流量點的速度，均為Q=1m 3 /h。彎管與流量計之間直管段分別取 L 0 =2D、4D、6D、8D、10D 和 20D。

圖 2 測量段橫向截面速度等值線

如表1所示為彎管未加裝整流器時流量誤差。如表1所示，在彎管與測量段間距較小，彎管段內(nèi)會產(chǎn)生強烈二次流，對測量準(zhǔn)確度影響*高可達 18.97%。直管段增至 8D 后，二次流對測量精度影響降低至 10%內(nèi)。如圖2所示為彎管流量測量相對誤差。橫軸為流量，縱軸為相對誤差。

表 1 彎管未加裝整流器流量誤差

圖2 彎管流量測量相對誤差

由圖2可得，流量為 0.1~1.5m 3 /h 時，距離 L 0 越小誤差越大。L 0 相同，則相對流量誤差曲線趨于直線。隨著流量的增加，相對流量誤差總體上趨于增加。觀察這幾個測量段的等值線圖可以看到，在這一距離段的流體分布不均勻，流體分布中存在渦流或二次流現(xiàn)象。

加裝整流器改善測量準(zhǔn)確度根據(jù)以上分析，彎管內(nèi)會產(chǎn)生二次流和渦流，對測量精度有顯著影響。為減少測量誤差，整流器置于管入口處。柵格整流器由等截面的矩形、圓形管構(gòu)成。整流器控制流量，使速度平行管道軸線。將大渦流分裂成小渦流，提高測量準(zhǔn)確度。如圖3所示為柵格整流器幾何結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 柵格整流器幾何模型

為驗證本文數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，搭建實驗平臺進行流量實驗測量，3D 打印柵格整流器如圖4所示，實驗平臺由水泵，水箱，調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥，若干長度管道（2~20D），1 級標(biāo)準(zhǔn)表，被檢超聲波流量計，柵格整流器組成。實驗平臺如圖5所示。

圖 4 柵格整流器實物

圖 5實驗平臺

4. 結(jié)論

中國計量大學(xué)姚爽團隊對上游彎管對超聲波流量計管段內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬研究，得出 90°彎管會對超聲波流量計測量誤差產(chǎn)生影響，設(shè)計并安裝柵格整流器改善內(nèi)部流場速度分布。實驗結(jié)果表明：存在上游彎管時，超聲波流量計隨著彎管出口直管段長度的增加，測量誤差逐漸減小，由 2D 時的 18%左右減小到 20D 時的 3.5%以內(nèi)，加裝整流器后在 7%以下。通過實驗實測數(shù)據(jù)驗證，相比未加整流器測量誤差范圍減小6%。加裝柵格整流器可有效降低管道流體狀態(tài)擾動對測量誤差的影響，從而減小前直管段的設(shè)計長度到 10D，并改善了流量計的綜合適應(yīng)性。

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