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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。

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
圖1 DN500 18聲道超聲流量計(jì)

  本文主要對(duì)探頭安裝的兩個(gè)典型位置,即全伸和全縮進(jìn)行研究,定義如圖2所示。所謂全伸為探頭的前端面全部伸入到管道內(nèi)壁(圖2a);全縮為探頭的前端面全部縮回到管道內(nèi)壁(圖2b)。

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圖2 探頭安裝位置

  兩個(gè)典型位置的超聲流量計(jì)建模如圖3所示,為超聲流量計(jì)安裝位置的局部放大圖。在超聲流量計(jì)上游有10D(D為管道直徑)前直管段,下游有5D后直管段,保證管道內(nèi)為充分發(fā)展流動(dòng)。

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圖3 建模模型

  仿真使用的是流體力學(xué)專用軟件Fluent和前處理軟件Gambit。為了確定網(wǎng)格、湍流模型、離散格式等關(guān)鍵參數(shù),首先以匯中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為仿真方法的驗(yàn)證。由于試驗(yàn)裝置條件所限,只進(jìn)行了三個(gè)流量點(diǎn)的實(shí)流試驗(yàn),如表1所示為探頭全伸情況,來(lái)流速度分別為0.307m/s、1.004m/s和2.718m/s時(shí)的試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比。

表1 試驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比
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  表1中,“被校表流量”指本文研究的DN500 18聲道超聲流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果,用qt表示;“標(biāo)準(zhǔn)表流量”指進(jìn)行實(shí)流試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果,用q表示,仿真和實(shí)流試驗(yàn)均以該值作為流量標(biāo)準(zhǔn)值;“誤差”的定義為

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  由表1可知,仿真結(jié)果與實(shí)流試驗(yàn)結(jié)果能夠很好地吻合,說(shuō)明本文采用的仿真方法是正確合理的,可將該仿真模型應(yīng)用到探頭全伸情況的其他流速點(diǎn)以及用來(lái)研究探頭全縮情況,以作為研究探頭安裝位置對(duì)測(cè)量影響的重要研究手段。

  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。

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圖4 計(jì)算域網(wǎng)格剖分圖

2 仿真結(jié)果分析
  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)。

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圖5 18聲道命名規(guī)定

2.1 探頭全伸仿真結(jié)果
  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。

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圖6 聲道截面軸向速度等值線圖

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圖7 沿聲道軸向速度分布

  由表1的初步仿真結(jié)論已表明,探頭全伸會(huì)對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生負(fù)誤差,而且隨著流速增大,誤差有增大的趨勢(shì)。以下將針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行分析,除表1給出的三個(gè)流速外,又進(jìn)行了6m/s和8m/s兩個(gè)流速點(diǎn)的仿真,各聲道上平均速度的歸一化速度分布如圖8所示。圖8中,5Dup表示超聲流量計(jì)上游5D位置,同樣采用18聲道布置形式且不考慮探頭影響時(shí)的情況,將其積分流量作為流量標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)進(jìn)行討論。

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圖8 探頭全伸時(shí)18聲道平均速度歸一化比較

  由圖8可以清晰地看到,相對(duì)于5Dup18聲道的速度廓形(標(biāo)準(zhǔn)值),各流速點(diǎn)情況的速度廓形幾乎都低于標(biāo)準(zhǔn)值,只有v=0.307m/s時(shí)靠近管道中心的幾個(gè)聲道(聲道4、5、6、13、14、15)略高于標(biāo)準(zhǔn)值。從這個(gè)角度分析,各流速點(diǎn)18聲道積分得到的流量值勢(shì)必小于5Dup18聲道積分流量值,造成測(cè)量誤差均為負(fù)值。進(jìn)一步分析,隨著流速逐漸增大,速度廓形趨于平緩,即靠近管道中心的幾個(gè)聲道平均速度逐漸減小,且廓形有重合的趨勢(shì)。當(dāng)v=6m/s、v=8m/s時(shí),測(cè)量誤差增大的趨勢(shì)逐漸減小且趨于穩(wěn)定(表2)。用湍流速度分布理論可以解釋這一結(jié)果:Re越大,管內(nèi)速度分布越趨于平緩,且變化越小。因此可以推論,對(duì)于探頭全伸情況,當(dāng)流速大到一定程度,測(cè)量誤差將不隨來(lái)流速度變化而變化,趨于穩(wěn)定。

表2 流速增大時(shí)的仿真結(jié)果
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2.2 探頭全縮仿真結(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)。

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圖9 聲道截面軸向速度等值線圖

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圖10 沿聲道軸向速度分布

  雖然探頭全縮時(shí)對(duì)流場(chǎng)的影響與探頭全伸時(shí)截然不同,但最終都會(huì)使各聲道上產(chǎn)生負(fù)速度,進(jìn)而使積分流量值偏小。表3給出了探頭全縮情況時(shí)5個(gè)流速點(diǎn)的仿真結(jié)果。

表3 探頭全縮仿真結(jié)果
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  可以看出,探頭全縮時(shí)的測(cè)量誤差仍為負(fù)值,與全伸情況類似。但此位置的誤差明顯比全伸時(shí)大了許多(表2)。將歸一化的各流速點(diǎn)18聲道平均速度仍與5Dup18聲道進(jìn)行比較(圖11)。

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圖11 探頭全縮時(shí)18聲道平均速度歸一化比較

  由圖11可知,無(wú)論哪個(gè)流速下,各聲道平均速度值均低于5Dup標(biāo)準(zhǔn)值,這是由于管壁凹槽區(qū)的存在使得聲道上低流速區(qū)域擴(kuò)大,造成各聲道上的平均流速比標(biāo)準(zhǔn)值偏低,進(jìn)而使得18聲道積分結(jié)果誤差為負(fù),且比探頭全伸情況負(fù)得更多。此外,各流速下的速度廓形之間比較,幾條曲線基本重合,幾乎不隨來(lái)流速度變化而有大的波動(dòng),因此與全伸情況相比,全縮時(shí)的測(cè)量誤差對(duì)來(lái)流速度不敏感,從表3也可反映。

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。

 ?。?)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。

  (3)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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