超聲波流量計(jì)作為一種電子式流量計(jì), 目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1]。作為速度式流量儀表, 超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度受管道條件的影響較大。其理想安裝條件是管道內(nèi)流體為充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)中, 由于彎管、閥門等阻流件的存在, 使管道內(nèi)流體速度分布發(fā)生畸變, 速度分布不對(duì)稱。因此, 只有保證超聲波流量計(jì)的上游具有足夠長的直管段, 才能滿足其測(cè)量準(zhǔn)確度[2]。而通?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中, 往往無法滿足足夠長的直管段要求。因此, 必須在滿足超聲波流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下, 縮短直管段長度。

  管道內(nèi)流體流經(jīng)彎管時(shí)會(huì)出現(xiàn)二次流現(xiàn)象, 在其下游一定范圍內(nèi)的流動(dòng)都是不對(duì)稱的。Yeh T T等[3]對(duì)非理想狀態(tài)下超聲波流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬。由于強(qiáng)烈的二次流的影響, 應(yīng)用傳統(tǒng)流量系數(shù)曲線無法得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。王雪峰等[4]應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)及試驗(yàn)技術(shù), 針對(duì)彎管安裝條件及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析, 得出彎管直徑和安裝位置對(duì)流量測(cè)量誤差有一定影響。本文應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué) (computational fluid dynamics, CFD) 的方法, 設(shè)計(jì)了一種整流器。應(yīng)用試驗(yàn)證明, 該整流器可以在縮短超聲波流量計(jì)上游直管段長度的同時(shí), 滿足測(cè)量準(zhǔn)確度要求。

  根據(jù)信號(hào)檢測(cè)原理的不同, 超聲波流量計(jì)的測(cè)量方法主要有時(shí)差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法和相關(guān)法等[5-6]。本文所述超聲波流量計(jì)的測(cè)量方法為時(shí)差法。時(shí)差法是根據(jù)聲波在流體中順流傳播時(shí)間與逆流傳播時(shí)間, 計(jì)算得出流體的流速[7-8]。時(shí)差法測(cè)量原理如圖1所示。

  超聲波在管道內(nèi)順流傳播時(shí)間tup和逆流傳播tdown時(shí)間為:

  式中:θ為超聲波傳播方向與氣體流動(dòng)方向的夾角;L為超聲波在流體中傳播的有效長度;D為管道直徑;C0為超聲波在靜止流體中的傳播速度;v0為管道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)速度。

由式 (1) 和式 (2) 得出:

式中:KR為雷諾數(shù)修正系數(shù);S為管道截面積;Qc為管道內(nèi)流量。

  本文設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)整流器由三部分組成:前端為均勻分布的風(fēng)扇式葉片, 中間為直管混合區(qū), 后端為多孔管段。由于流量計(jì)上游各阻流件的存在, 使管道內(nèi)流場(chǎng)分布不均勻, 同時(shí)還存在二次流等擾動(dòng)現(xiàn)象。因此, 整流器前端設(shè)計(jì)為風(fēng)扇式葉片形式, 使不均勻流體流經(jīng)風(fēng)扇式葉片后, 對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行重新分布, 以消除二次流、渦流等現(xiàn)象。由于葉片數(shù)量過少無法充分進(jìn)行流場(chǎng)混合, 而葉片數(shù)量過多則會(huì)增加壓損, 因此將風(fēng)扇式葉片的葉片數(shù)量設(shè)計(jì)為8片、10片和12片, 并分別進(jìn)行驗(yàn)證。整流器結(jié)構(gòu)中間為直管段, 為流體經(jīng)過風(fēng)扇式葉片后提供流體混合區(qū), 使其有足夠的空間將流場(chǎng)分布趨于穩(wěn)定。

  整流器后端為多孔管段。由于傳統(tǒng)的整流器的開孔結(jié)構(gòu)不合理, 整流效果比較差, 因此本文根據(jù)文獻(xiàn)[9]所述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在整流器橫截面上選取多個(gè)節(jié)圓。首先確定整流器導(dǎo)流孔的總面積和管道橫截面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 然后根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系確定導(dǎo)流孔的總面積和數(shù)量, ***后確定各節(jié)圓上導(dǎo)流孔的孔徑尺寸位置。根據(jù)此方法, 在整流器橫截面上先取5個(gè)節(jié)圓:在個(gè)節(jié)圓上開4個(gè)導(dǎo)流孔, 直徑為7.64 mm;在第二個(gè)節(jié)圓上開8個(gè)導(dǎo)流孔, 直徑為5.62 mm;在第三個(gè)節(jié)圓上開4個(gè)導(dǎo)流孔, 直徑為7.5 mm;在第四個(gè)節(jié)圓上開8個(gè)導(dǎo)流孔, 直徑為6.03 mm;在第五個(gè)節(jié)圓上開8個(gè)導(dǎo)流孔, 直徑為6.34 mm。為了使流體經(jīng)過多孔管段后可以充分地進(jìn)行整流, 將多孔管段長度設(shè)為20 mm。

  本文所述超聲波流量計(jì)管道內(nèi)徑D=50 mm, 流量范圍為 (4~160) m3/h, 計(jì)量精度為1級(jí), 一對(duì)超聲波換能器安裝于流量計(jì)水平中心平面上, 形成單聲道測(cè)量形式。將整流器安裝于超聲波流量計(jì)進(jìn)口處, 流量計(jì)上游單彎管與流量計(jì)之間直管段距離為5D, 其中彎管半徑R=1.5D。

  應(yīng)用Fluent流體力學(xué)計(jì)算軟件, 對(duì)超聲波整流器在單彎管情況下的整流效果進(jìn)行仿真。其中:單彎管、整流器和超聲波流量計(jì)部分采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;直管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;網(wǎng)格總數(shù)為150萬左右。流體介質(zhì)為常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣;入口邊界條件為速度入口, 出口邊界條件為自由流出;入口仿真流量分別為 (4, 16, 40, 64, 160) m3/h, 計(jì)算中應(yīng)用Realizable k-ε湍流模型[9-10]。

  時(shí)差法超聲波流量計(jì)通過對(duì)射線上線速度所引起的順流和逆流時(shí)間差進(jìn)行流量計(jì)算。因此, 對(duì)射線上線速度的分布是否均勻會(huì)對(duì)流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度有一定影響。然而, 流場(chǎng)的不均勻分布將直接影響線速度分布。應(yīng)用Fluent仿真軟件, 分別對(duì)8片、10片和12片葉片的整流器在單彎管情況下進(jìn)行仿真。其中, 單彎管與流量計(jì)之間距離為5D。在流量相同時(shí), 將對(duì)射線上線速度進(jìn)行無量綱化處理, 得到如圖2所示的線速度分布圖。從圖2可知, 當(dāng)流量為4 m3/h和160 m3/h時(shí), 葉片數(shù)量為12片時(shí)的對(duì)射線上線速度比8片和10片分布均勻, 且一致性更好, 同時(shí)滿足壓損要求。

  同樣可以根據(jù)流量計(jì)中間位置的縱向截面上速度分布情況, 判斷整流器的效果。在流量為4 m3/h和160 m3/h時(shí), 分別截取整流器葉片為8片、10片和12片時(shí)流量計(jì)中間位置的縱向截面, 其縱向截面速度等值線圖如圖3所示。

  從圖3可知, 當(dāng)葉片數(shù)量為12片時(shí), 流量計(jì)中間位置速度更均勻, 且不存在二次流現(xiàn)象, 即整流器效果***好。因此, 整流器中葉片數(shù)量取12片。

  根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果, 將12片葉片的整流器安裝于流量計(jì)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)裝置為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。該裝置主要由風(fēng)機(jī)、閥門、標(biāo)準(zhǔn)表、管道、變頻器和控制系統(tǒng)等組成, 是一臺(tái)高精度的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。其根據(jù)密閉管道內(nèi)氣體連續(xù)性原理, 將被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表串聯(lián), 在同一工況下完成校準(zhǔn)、檢定。該氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用負(fù)壓法進(jìn)行測(cè)量, 工作介質(zhì)為空氣, 流量范圍為 (0.5~2 000) m3/h, 流量調(diào)節(jié)精度為±0.5%, 試驗(yàn)管道口徑為DN15~DN2 000, 因此可對(duì)本文所述超聲波流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。

  將流量計(jì)安裝在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上, 分別對(duì)流量計(jì)進(jìn)口處加裝10D直管段和單彎管進(jìn)行測(cè)試。彎管與流量計(jì)之間直管段為5D, 試驗(yàn)流量點(diǎn)為 (4, 16, 40, 64, 160) m3/h, 試驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃, 標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)通過被檢表脈沖輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù), 實(shí)現(xiàn)累積流量計(jì)量得出示值誤差, 測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1可知, 單彎管情況下的示值誤差與10D直管段示值誤差平均偏差在±0.3%范圍內(nèi), 且滿足測(cè)量準(zhǔn)確度±1%的要求, 因此可以證明本文所設(shè)計(jì)整流器不僅可以滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求, 而且可以縮短彎管與流量計(jì)之間直管段距離。

  本文應(yīng)用CFD數(shù)值仿真和氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗(yàn)方法。當(dāng)上游阻流件為單彎管時(shí), 分析所設(shè)計(jì)整流器對(duì)超聲波流量計(jì)管道內(nèi)流體的整流效果。由數(shù)值仿真可知, 當(dāng)整流器葉片數(shù)量為12片時(shí), 換能器對(duì)射線上線速度分布均勻, 且管道內(nèi)截面上速度分布均勻, 整流效果好。應(yīng)用氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗(yàn)對(duì)12片葉片的整流器進(jìn)行驗(yàn)證, 結(jié)果表明, 本文所設(shè)計(jì)的整流器可以減小單彎管所引起的誤差偏差值, 同時(shí)可以縮短單彎管與流量計(jì)之間直管段的距離, 滿足測(cè)量準(zhǔn)確度要求。