產(chǎn)品分類
Product Classification
超聲流量計(jì)探頭安裝位置對(duì)測(cè)量影響數(shù)值仿真研究
摘要：
超聲流量計(jì)非實(shí)流標(biāo)定方法中一個(gè)尚待解決的問(wèn)題是超聲探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響，該問(wèn)題始終制約著超聲流量計(jì)非實(shí)流標(biāo)定技術(shù)的發(fā)展。為解決這一難題，提出利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真來(lái)研究這一問(wèn)題的方法?；趯?shí)流試驗(yàn)獲得超聲流量計(jì)探頭位置對(duì)其測(cè)量結(jié)果的定量影響，并將其作為數(shù)值仿真依據(jù)，探索仿真模型建立方法；在驗(yàn)證數(shù)值仿真方法的基礎(chǔ)上對(duì)超聲探頭的兩個(gè)典型安裝位置——全伸和全縮進(jìn)行研究；通過(guò)分析流場(chǎng)流動(dòng)機(jī)理、各聲道速度分布以及探頭處的流場(chǎng)變化，最終獲得探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響規(guī)律以及產(chǎn)生的測(cè)量誤差。兩個(gè)安裝位置相比，探頭全伸比全縮測(cè)量效果更好，即推薦探頭全伸為超聲流量計(jì)探頭最佳安裝位置。
0 前言
超聲流量計(jì)近十年發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)流量計(jì)相比，具有無(wú)可動(dòng)部件、管道中無(wú)阻擋件、無(wú)壓力損失，測(cè)量范圍寬、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，其中最為突出的優(yōu)點(diǎn)是可用于大管徑流量測(cè)量，且具有較高的測(cè)量精度。目前，多聲道超聲流量計(jì)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型水電站輸水管道的流量計(jì)量，以實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)效率和狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。此外，美國(guó)、荷蘭、英國(guó)和德國(guó)等12個(gè)國(guó)家已將多聲道超聲流量計(jì)應(yīng)用于15cm（6in）以上口徑的天然氣貿(mào)易輸送計(jì)量。我國(guó)在“西氣東輸”工程中，也正在研究將超聲流量計(jì)取代傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)量、節(jié)能降耗的目的。但在其使用過(guò)程中存在一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，即受流量標(biāo)準(zhǔn)裝置口徑的限制，無(wú)法對(duì)大口徑超聲流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定。因此，近些年來(lái)研究人員也在探索對(duì)其進(jìn)行非實(shí)流標(biāo)定的方法，并取得了顯著成果。時(shí)差式超聲流量計(jì)的測(cè)量原理是基于長(zhǎng)度和時(shí)間這兩個(gè)基本量的結(jié)合，其導(dǎo)出量溯源性較好。對(duì)于符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的多聲道超聲流量計(jì)，其流量積分公式中的所有系數(shù)均是確定不變的，這為非實(shí)流標(biāo)定方法精度打下了基礎(chǔ)。
在落實(shí)和完善非實(shí)流標(biāo)定方法的過(guò)程中，存在一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題尚待研究和解決。美國(guó)國(guó)家規(guī)程（ASMEPTC18-2002）提到：超聲探頭相對(duì)于管道內(nèi)壁凹陷或凸起會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。凹陷會(huì)使流場(chǎng)產(chǎn)生扭曲變形；凸起會(huì)使測(cè)量聲道的流速不完整，導(dǎo)致測(cè)量值偏低。一般聲道長(zhǎng)度為1m時(shí)會(huì)偏低0.35％，5m時(shí)偏低0.05％，這個(gè)誤差取決于超聲傳感器的設(shè)計(jì)和安裝。雖然標(biāo)準(zhǔn)中已有提及，但學(xué)者對(duì)于該方面的研究卻很少，缺乏強(qiáng)有力的理論分析和數(shù)據(jù)支撐。1996年VOSER通過(guò)數(shù)值仿真方法研究8聲道超聲流量計(jì)探頭插入管道內(nèi)壁對(duì)測(cè)量的影響，指出當(dāng)口徑大于2m且流速不低于0.1m/s時(shí)，探頭對(duì)測(cè)量的影響可以在±0.5％以內(nèi)，口徑越小，探頭對(duì)流場(chǎng)的影響越嚴(yán)重，測(cè)量誤差越大。但文章中并未分析解釋造成這種影響的原因，只給出了最后的定量結(jié)論。1998年LOWELL等通過(guò)試驗(yàn)方法驗(yàn)證了VOSER的結(jié)論，但同樣缺少對(duì)結(jié)論的分析和解釋。2006年RENALDAS利用溫差式風(fēng)速儀對(duì)探頭凹陷在管壁的情況實(shí)測(cè)了各聲道的速度分布，指出凹槽處流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生扭曲，破壞速度分布的對(duì)稱性，進(jìn)而對(duì)流量測(cè)量造成影響。文中的分析是對(duì)前人研究成果的補(bǔ)充和解釋，但仍無(wú)法獲知探頭對(duì)管道內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)造成的影響。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，基于實(shí)流試驗(yàn)和數(shù)值仿真同時(shí)開(kāi)展研究，對(duì)探頭插入管道以及凹陷在管壁兩個(gè)典型位置進(jìn)行討論。實(shí)流試驗(yàn)獲得宏觀的定量結(jié)論，且作為驗(yàn)證數(shù)值仿真的基礎(chǔ)。再通過(guò)數(shù)值仿真從微觀上分析探頭對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部的影響，獲得探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響規(guī)律，進(jìn)而定量給出探頭影響引入的測(cè)量誤差。
1 仿真模型建立
DN50018聲道超聲流量計(jì)，聲道布置形式以及流量計(jì)算參照ASMEPTC18-2002，如圖1所示。
受篇幅限制，不對(duì)模型、網(wǎng)格建立以及重要參數(shù)的設(shè)置過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹，只給出最終的模型方案：將整個(gè)計(jì)算域分成三個(gè)部分，前直管段、超聲流量計(jì)和后直管段，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中，前、后直管段采用六面體網(wǎng)格，一方面保證了網(wǎng)格質(zhì)量，另一方面大幅度減少了網(wǎng)格數(shù)量。由于靠近管壁處速度梯度較大，因此對(duì)壁面附近網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，采用邊界層網(wǎng)格，按照FirstRow（第一層網(wǎng)格尺寸）、GrowthFactor（尺寸增長(zhǎng)系數(shù)）、Rows（層數(shù)）依次為1、1.1、15進(jìn)行設(shè)置。超聲流量計(jì)部分是流量計(jì)算的關(guān)鍵區(qū)域，特別是超聲探頭尺寸（直徑12mm）相對(duì)管徑（DN500）來(lái)說(shuō)很小，因此采用了設(shè)置增長(zhǎng)函數(shù)的四面體網(wǎng)格方案（圖4），以各個(gè)探頭為源面網(wǎng)格尺寸由小變大，保證了探頭附近的網(wǎng)格局部加密。最終整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)量為700萬(wàn)左右。湍流模型采用RSM，SIMPLE算法，一階離散格式。邊界條件為均勻速度入口，出流出口，體與體之間連接面采用交接面，介質(zhì)為水，壁面光滑。
以下將對(duì)超聲探頭全伸和全縮兩個(gè)典型位置的流場(chǎng)及其測(cè)量特性進(jìn)行分析，在此之前先對(duì)DN50018聲道各聲道的命名進(jìn)行規(guī)定，如圖5所示，流體沿x軸正方向流動(dòng)。
由于超聲流量計(jì)上游及下游均為直管段，且沒(méi)有阻流件影響，因此管道內(nèi)部流場(chǎng)應(yīng)為軸對(duì)稱分布。以下僅給出了v=1.004m/s時(shí)最短聲道1和最長(zhǎng)聲道5上軸向速度分布圖和聲道截面上軸向速度等值線圖，來(lái)說(shuō)明探頭全伸對(duì)流場(chǎng)造成的影響。
由圖6分析，探頭伸入管道內(nèi)部會(huì)在探頭下游產(chǎn)生回流（圖6）。對(duì)于上游側(cè)的探頭來(lái)說(shuō)，回流正好位于聲道上，因此呈現(xiàn)出負(fù)速度；而對(duì)于下游側(cè)的探頭，雖然也有回流存在，但卻不在聲道上，因此不會(huì)影響聲道上的速度分布。整體來(lái)看，探頭伸入管道造成了聲道上速度分布的嚴(yán)重不對(duì)稱（圖7）。聲道1和聲道5對(duì)流場(chǎng)的影響趨勢(shì)相同，但聲道5探頭伸入管道內(nèi)的長(zhǎng)度相對(duì)較短，因此對(duì)速度分布造成的影響沒(méi)有聲道1明顯（圖7b）。需要特別指出，聲道1靠近下游側(cè)的速度分布有一凹陷處（圖7a），這是由于聲道1和聲道10探頭距離較近，聲道1下游側(cè)正好位于聲道1上游探頭的尾跡區(qū)域，造成了兩探頭之間的相互影響。
與前述研究方法類似，以下僅給出v=0.994m/s時(shí)最短聲道1和最長(zhǎng)聲道5上軸向速度分布圖和聲道截面上軸向速度等值線圖，來(lái)說(shuō)明探頭全縮對(duì)流場(chǎng)造成的影響。
由圖9可知，流體在流經(jīng)探頭位置時(shí)，由于在管壁內(nèi)側(cè)有一凹槽，流體在聲道兩端均會(huì)產(chǎn)生回流，出現(xiàn)負(fù)速度，使得沿聲道速度分布基本對(duì)稱（圖10）。此外，凹槽內(nèi)的流速相對(duì)較小，隨著探頭縮入管道內(nèi)壁的長(zhǎng)度逐漸減小，凹槽區(qū)逐漸減小，相應(yīng)低流速區(qū)域也逐漸減小（圖10）。
3 結(jié)論
通過(guò)對(duì)超聲探頭兩個(gè)典型位置——全伸和全縮的數(shù)值仿真研究，得到以下結(jié)論。
（1）利用數(shù)值仿真進(jìn)行超聲探頭對(duì)測(cè)量影響的研究，該方法是可行且有效的，本文提出了模型建立方法。
?。?）探頭全伸和全縮時(shí)都會(huì)造成流量測(cè)量的負(fù)誤差，沿各聲道均會(huì)產(chǎn)生負(fù)速度，但由于二者產(chǎn)生機(jī)理不同造成負(fù)速度出現(xiàn)的位置也不同。探頭全伸時(shí)，由于聲道一端位于探頭下游尾跡區(qū)，回流產(chǎn)生負(fù)速度，而另一端不受影響，因此速度始終為正；探頭全縮時(shí)，由于管壁有凹槽，使得凹槽區(qū)內(nèi)的流速均較低，且聲道兩端均會(huì)產(chǎn)生回流，造成負(fù)速度。
?。?）探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響不可忽視。兩個(gè)安裝位置相比，探頭全伸比全縮測(cè)量效果更好，因此推薦超聲流量計(jì)采用探頭插入管道這種安裝方式來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量。
超聲流量計(jì)非實(shí)流標(biāo)定方法中一個(gè)尚待解決的問(wèn)題是超聲探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響，該問(wèn)題始終制約著超聲流量計(jì)非實(shí)流標(biāo)定技術(shù)的發(fā)展。為解決這一難題，提出利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真來(lái)研究這一問(wèn)題的方法?；趯?shí)流試驗(yàn)獲得超聲流量計(jì)探頭位置對(duì)其測(cè)量結(jié)果的定量影響，并將其作為數(shù)值仿真依據(jù)，探索仿真模型建立方法；在驗(yàn)證數(shù)值仿真方法的基礎(chǔ)上對(duì)超聲探頭的兩個(gè)典型安裝位置——全伸和全縮進(jìn)行研究；通過(guò)分析流場(chǎng)流動(dòng)機(jī)理、各聲道速度分布以及探頭處的流場(chǎng)變化，最終獲得探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響規(guī)律以及產(chǎn)生的測(cè)量誤差。兩個(gè)安裝位置相比，探頭全伸比全縮測(cè)量效果更好，即推薦探頭全伸為超聲流量計(jì)探頭最佳安裝位置。
0 前言
超聲流量計(jì)近十年發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)流量計(jì)相比，具有無(wú)可動(dòng)部件、管道中無(wú)阻擋件、無(wú)壓力損失，測(cè)量范圍寬、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，其中最為突出的優(yōu)點(diǎn)是可用于大管徑流量測(cè)量，且具有較高的測(cè)量精度。目前，多聲道超聲流量計(jì)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型水電站輸水管道的流量計(jì)量，以實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)效率和狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。此外，美國(guó)、荷蘭、英國(guó)和德國(guó)等12個(gè)國(guó)家已將多聲道超聲流量計(jì)應(yīng)用于15cm（6in）以上口徑的天然氣貿(mào)易輸送計(jì)量。我國(guó)在“西氣東輸”工程中，也正在研究將超聲流量計(jì)取代傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)量、節(jié)能降耗的目的。但在其使用過(guò)程中存在一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，即受流量標(biāo)準(zhǔn)裝置口徑的限制，無(wú)法對(duì)大口徑超聲流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定。因此，近些年來(lái)研究人員也在探索對(duì)其進(jìn)行非實(shí)流標(biāo)定的方法，并取得了顯著成果。時(shí)差式超聲流量計(jì)的測(cè)量原理是基于長(zhǎng)度和時(shí)間這兩個(gè)基本量的結(jié)合，其導(dǎo)出量溯源性較好。對(duì)于符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的多聲道超聲流量計(jì)，其流量積分公式中的所有系數(shù)均是確定不變的，這為非實(shí)流標(biāo)定方法精度打下了基礎(chǔ)。
在落實(shí)和完善非實(shí)流標(biāo)定方法的過(guò)程中，存在一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題尚待研究和解決。美國(guó)國(guó)家規(guī)程（ASMEPTC18-2002）提到：超聲探頭相對(duì)于管道內(nèi)壁凹陷或凸起會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。凹陷會(huì)使流場(chǎng)產(chǎn)生扭曲變形；凸起會(huì)使測(cè)量聲道的流速不完整，導(dǎo)致測(cè)量值偏低。一般聲道長(zhǎng)度為1m時(shí)會(huì)偏低0.35％，5m時(shí)偏低0.05％，這個(gè)誤差取決于超聲傳感器的設(shè)計(jì)和安裝。雖然標(biāo)準(zhǔn)中已有提及，但學(xué)者對(duì)于該方面的研究卻很少，缺乏強(qiáng)有力的理論分析和數(shù)據(jù)支撐。1996年VOSER通過(guò)數(shù)值仿真方法研究8聲道超聲流量計(jì)探頭插入管道內(nèi)壁對(duì)測(cè)量的影響，指出當(dāng)口徑大于2m且流速不低于0.1m/s時(shí)，探頭對(duì)測(cè)量的影響可以在±0.5％以內(nèi)，口徑越小，探頭對(duì)流場(chǎng)的影響越嚴(yán)重，測(cè)量誤差越大。但文章中并未分析解釋造成這種影響的原因，只給出了最后的定量結(jié)論。1998年LOWELL等通過(guò)試驗(yàn)方法驗(yàn)證了VOSER的結(jié)論，但同樣缺少對(duì)結(jié)論的分析和解釋。2006年RENALDAS利用溫差式風(fēng)速儀對(duì)探頭凹陷在管壁的情況實(shí)測(cè)了各聲道的速度分布，指出凹槽處流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生扭曲，破壞速度分布的對(duì)稱性，進(jìn)而對(duì)流量測(cè)量造成影響。文中的分析是對(duì)前人研究成果的補(bǔ)充和解釋，但仍無(wú)法獲知探頭對(duì)管道內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)造成的影響。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，基于實(shí)流試驗(yàn)和數(shù)值仿真同時(shí)開(kāi)展研究，對(duì)探頭插入管道以及凹陷在管壁兩個(gè)典型位置進(jìn)行討論。實(shí)流試驗(yàn)獲得宏觀的定量結(jié)論，且作為驗(yàn)證數(shù)值仿真的基礎(chǔ)。再通過(guò)數(shù)值仿真從微觀上分析探頭對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部的影響，獲得探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響規(guī)律，進(jìn)而定量給出探頭影響引入的測(cè)量誤差。
1 仿真模型建立
DN50018聲道超聲流量計(jì)，聲道布置形式以及流量計(jì)算參照ASMEPTC18-2002，如圖1所示。
圖1 DN500 18聲道超聲流量計(jì)
圖2 探頭安裝位置
圖3 建模模型
表1 試驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比
受篇幅限制，不對(duì)模型、網(wǎng)格建立以及重要參數(shù)的設(shè)置過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹，只給出最終的模型方案：將整個(gè)計(jì)算域分成三個(gè)部分，前直管段、超聲流量計(jì)和后直管段，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中，前、后直管段采用六面體網(wǎng)格，一方面保證了網(wǎng)格質(zhì)量，另一方面大幅度減少了網(wǎng)格數(shù)量。由于靠近管壁處速度梯度較大，因此對(duì)壁面附近網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，采用邊界層網(wǎng)格，按照FirstRow（第一層網(wǎng)格尺寸）、GrowthFactor（尺寸增長(zhǎng)系數(shù)）、Rows（層數(shù)）依次為1、1.1、15進(jìn)行設(shè)置。超聲流量計(jì)部分是流量計(jì)算的關(guān)鍵區(qū)域，特別是超聲探頭尺寸（直徑12mm）相對(duì)管徑（DN500）來(lái)說(shuō)很小，因此采用了設(shè)置增長(zhǎng)函數(shù)的四面體網(wǎng)格方案（圖4），以各個(gè)探頭為源面網(wǎng)格尺寸由小變大，保證了探頭附近的網(wǎng)格局部加密。最終整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)量為700萬(wàn)左右。湍流模型采用RSM，SIMPLE算法，一階離散格式。邊界條件為均勻速度入口，出流出口，體與體之間連接面采用交接面，介質(zhì)為水，壁面光滑。
圖4 計(jì)算域網(wǎng)格剖分圖
以下將對(duì)超聲探頭全伸和全縮兩個(gè)典型位置的流場(chǎng)及其測(cè)量特性進(jìn)行分析，在此之前先對(duì)DN50018聲道各聲道的命名進(jìn)行規(guī)定，如圖5所示，流體沿x軸正方向流動(dòng)。
圖5 18聲道命名規(guī)定
由于超聲流量計(jì)上游及下游均為直管段，且沒(méi)有阻流件影響，因此管道內(nèi)部流場(chǎng)應(yīng)為軸對(duì)稱分布。以下僅給出了v=1.004m/s時(shí)最短聲道1和最長(zhǎng)聲道5上軸向速度分布圖和聲道截面上軸向速度等值線圖，來(lái)說(shuō)明探頭全伸對(duì)流場(chǎng)造成的影響。
由圖6分析，探頭伸入管道內(nèi)部會(huì)在探頭下游產(chǎn)生回流（圖6）。對(duì)于上游側(cè)的探頭來(lái)說(shuō)，回流正好位于聲道上，因此呈現(xiàn)出負(fù)速度；而對(duì)于下游側(cè)的探頭，雖然也有回流存在，但卻不在聲道上，因此不會(huì)影響聲道上的速度分布。整體來(lái)看，探頭伸入管道造成了聲道上速度分布的嚴(yán)重不對(duì)稱（圖7）。聲道1和聲道5對(duì)流場(chǎng)的影響趨勢(shì)相同，但聲道5探頭伸入管道內(nèi)的長(zhǎng)度相對(duì)較短，因此對(duì)速度分布造成的影響沒(méi)有聲道1明顯（圖7b）。需要特別指出，聲道1靠近下游側(cè)的速度分布有一凹陷處（圖7a），這是由于聲道1和聲道10探頭距離較近，聲道1下游側(cè)正好位于聲道1上游探頭的尾跡區(qū)域，造成了兩探頭之間的相互影響。
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
圖8 探頭全伸時(shí)18聲道平均速度歸一化比較
表2 流速增大時(shí)的仿真結(jié)果
與前述研究方法類似，以下僅給出v=0.994m/s時(shí)最短聲道1和最長(zhǎng)聲道5上軸向速度分布圖和聲道截面上軸向速度等值線圖，來(lái)說(shuō)明探頭全縮對(duì)流場(chǎng)造成的影響。
由圖9可知，流體在流經(jīng)探頭位置時(shí)，由于在管壁內(nèi)側(cè)有一凹槽，流體在聲道兩端均會(huì)產(chǎn)生回流，出現(xiàn)負(fù)速度，使得沿聲道速度分布基本對(duì)稱（圖10）。此外，凹槽內(nèi)的流速相對(duì)較小，隨著探頭縮入管道內(nèi)壁的長(zhǎng)度逐漸減小，凹槽區(qū)逐漸減小，相應(yīng)低流速區(qū)域也逐漸減小（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
表3 探頭全縮仿真結(jié)果
圖11 探頭全縮時(shí)18聲道平均速度歸一化比較
3 結(jié)論
通過(guò)對(duì)超聲探頭兩個(gè)典型位置——全伸和全縮的數(shù)值仿真研究，得到以下結(jié)論。
（1）利用數(shù)值仿真進(jìn)行超聲探頭對(duì)測(cè)量影響的研究，該方法是可行且有效的，本文提出了模型建立方法。
?。?）探頭全伸和全縮時(shí)都會(huì)造成流量測(cè)量的負(fù)誤差，沿各聲道均會(huì)產(chǎn)生負(fù)速度，但由于二者產(chǎn)生機(jī)理不同造成負(fù)速度出現(xiàn)的位置也不同。探頭全伸時(shí)，由于聲道一端位于探頭下游尾跡區(qū)，回流產(chǎn)生負(fù)速度，而另一端不受影響，因此速度始終為正；探頭全縮時(shí)，由于管壁有凹槽，使得凹槽區(qū)內(nèi)的流速均較低，且聲道兩端均會(huì)產(chǎn)生回流，造成負(fù)速度。
?。?）探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響不可忽視。兩個(gè)安裝位置相比，探頭全伸比全縮測(cè)量效果更好，因此推薦超聲流量計(jì)采用探頭插入管道這種安裝方式來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量。
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