王 燦 沈 瓊 陳 超/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

液體流量計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)、貿(mào)易結(jié)算、節(jié)能減排中必不可少的計(jì)量器具，被列入國(guó)家強(qiáng)制檢定計(jì)量器具目錄。后續(xù)檢定時(shí)，經(jīng)常需要離線檢測(cè)流量計(jì)，而有些使用單位由于連續(xù)生產(chǎn)無(wú)法停流，使得一些使用中的流量計(jì)不能及時(shí)拆卸、按周期進(jìn)行檢定，準(zhǔn)確性難以確認(rèn)。同時(shí)，對(duì)大口徑流量計(jì)拆裝和運(yùn)輸送檢又十分麻煩。為此，多數(shù)企業(yè)配備了便攜式超聲流量計(jì)用以在線自校自檢。此外，許多法定計(jì)量機(jī)構(gòu)也在日常工作中使用便攜式超聲流量計(jì)進(jìn)行在線檢定。但在使用過(guò)程中，超聲流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)工作條件與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的工作條件相差很大，準(zhǔn)確度有一定偏離。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)原理(簡(jiǎn)稱CFD)，對(duì)不同的管道條件進(jìn)行數(shù)值模擬，得出管道內(nèi)流場(chǎng)分布結(jié)果。通過(guò)部分安裝條件下的現(xiàn)場(chǎng)檢定數(shù)據(jù)與流場(chǎng)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)一步討論影響在線液體流量計(jì)檢定結(jié)果的參數(shù)并評(píng)估其影響量。希望通過(guò)使用數(shù)值模擬的方法能夠優(yōu)化檢定結(jié)果，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

1 實(shí)流現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中使用1.0級(jí)外夾式超聲流量計(jì)，設(shè)定所有試驗(yàn)均在DN100管道、介質(zhì)為水、流量為100m3/h條件下，測(cè)量結(jié)果與0.2級(jí)電磁流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行比較，測(cè)量數(shù)據(jù)6次為一組，其中1～8數(shù)據(jù)組前直管段大于15D。

（1）再現(xiàn)性

測(cè)量超聲流量計(jì)在不銹鋼管道上的誤差及重復(fù)性，測(cè)一組數(shù)據(jù)。同一操作人、同一安裝條件下，進(jìn)行超聲流量計(jì)再現(xiàn)性試驗(yàn)，測(cè)兩組數(shù)據(jù)。三組數(shù)據(jù)合并比較。

（2）管壁影響

將試驗(yàn)1的最后一次試驗(yàn)完成后，所得數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不用重新拆裝超聲流量計(jì)，僅更改壁厚參數(shù)，測(cè)兩組數(shù)據(jù)。

（3）內(nèi)襯影響

分別安裝四種不同內(nèi)襯（a無(wú)內(nèi)襯有少量銹跡、b灰漿、c油漆、d聚四氟乙烯）的碳鋼短管至DN100臺(tái)位，比較不同內(nèi)襯情況下的測(cè)量結(jié)果。各測(cè)一組數(shù)據(jù)（100m3/h流量點(diǎn)），如無(wú)信號(hào)酌情放棄。

（4）流場(chǎng)影響

超聲流量計(jì)在含調(diào)節(jié)閥（如球閥）、彎管等不同管道條件下，比較測(cè)量結(jié)果。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

分析一：超聲流量計(jì)重復(fù)性及再現(xiàn)性對(duì)于在線檢定的影響。數(shù)據(jù)(1～3)由同一人在同一測(cè)量條件下得出：三組重復(fù)性均小于0.2%滿足要求，但三組在同一測(cè)量點(diǎn)重復(fù)拆裝的誤差值相差接近0.4%，這相對(duì)于1.0級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)表是不可忽略的。因此安裝超聲流量計(jì)進(jìn)行在線檢定時(shí)必須要求操作人員謹(jǐn)慎仔細(xì)，按照操作規(guī)程及超聲使用要求進(jìn)行安裝。同時(shí)，取三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值0.17%為誤差參考標(biāo)準(zhǔn)值。

分析二：管道壁厚及內(nèi)徑參數(shù)對(duì)于在線檢測(cè)的影響。試驗(yàn)(3)和數(shù)據(jù)(4)反映了在測(cè)量及設(shè)定管道壁厚時(shí)應(yīng)盡量保證管道壁厚數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)(4)中壁厚減小0.5mm，測(cè)量結(jié)果偏移0.37%；而壁厚值或內(nèi)徑差超過(guò)1mm時(shí)超聲流量計(jì)提示“信號(hào)差或參數(shù)有誤”，顯示流量約300m3/h遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。

分析三：管道內(nèi)襯對(duì)于在線檢定的影響。試驗(yàn)中分別安裝了四種不同內(nèi)襯的碳鋼短管，因聚四氟乙烯該種材質(zhì)無(wú)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)得到三組數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)(5～7)。 由數(shù)據(jù)可知，碳鋼無(wú)內(nèi)襯有少量銹跡管道及油漆內(nèi)襯的測(cè)量結(jié)果與不銹鋼管道的測(cè)量結(jié)果是一致的，而碳鋼灰漿內(nèi)襯管道的測(cè)量結(jié)果偏移了0.60%。多組試驗(yàn)后分析，原因是由于灰漿加襯時(shí)含有氣泡或雜質(zhì)。數(shù)據(jù)(8)為灰漿內(nèi)襯改用瀝青參數(shù)，即內(nèi)襯參數(shù)誤用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。但結(jié)果數(shù)據(jù)卻更接近參考標(biāo)準(zhǔn)值，比灰漿內(nèi)襯參數(shù)的測(cè)量結(jié)果偏移了0.66%。因此，選擇內(nèi)襯參數(shù)以及內(nèi)襯實(shí)際情況對(duì)于在線檢測(cè)是十分重要的。

分析四：現(xiàn)場(chǎng)安裝管路條件對(duì)在線檢定的影響。試驗(yàn)中有調(diào)節(jié)閥條件得到四組數(shù)據(jù)(9～12)。四組重復(fù)性均小于0.2%滿足要求，但誤差值偏離較大，這與流場(chǎng)分布不均勻有關(guān)。日常檢定中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)條件不能滿足超聲流量計(jì)夾裝的基本條件，導(dǎo)致流場(chǎng)分布不均勻，測(cè)量結(jié)果發(fā)生偏離。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，阻力件（縮管）前的測(cè)量值要優(yōu)于其后的測(cè)量值，但偏差值超過(guò)4%。

2 CFD數(shù)值模擬試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)管道條件及參數(shù)多樣的特點(diǎn)使得實(shí)流試驗(yàn)不可能覆蓋全部條件，但可通過(guò)CFD數(shù)值模擬試驗(yàn)輔助。數(shù)值模擬試驗(yàn)共分析了12種管道條件下的流場(chǎng)分布情況，表2中僅列出一類用于分析以及和實(shí)流試驗(yàn)數(shù)據(jù)作比較。

表2 模擬條件表

圖1、2為流場(chǎng)流速分布圖。圖1、2的左面為軸向截面圖，圖1、2的右面為徑向截面圖（圖1、2中各面由遠(yuǎn)及近分別代表上游20D、上游15D、上游10D、上游5D、阻力件上游面、阻力件下游面、下游5D、下游10D、下游15D、下游20D）。

以上結(jié)果均以DN100口徑、入口100m3/h為模擬條件。標(biāo)準(zhǔn)直管道下截面平均流速3.537 m/s，以此為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行數(shù)值比較。由圖1、2可以看出，各種條件下流場(chǎng)均發(fā)生了不同程度的分布不均勻的情況。如果在線檢測(cè)不考慮現(xiàn)場(chǎng)管道條件，將會(huì)給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。以球閥30°開(kāi)度流場(chǎng)分布為例，其各徑向截面流速平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之差見(jiàn)表3。

表3 徑向截面平均流速表

圖1 球閥30°開(kāi)度的流場(chǎng)流速分布

圖2 球閥45°開(kāi)度的流場(chǎng)流速分布

由表3可知，檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡可能地將超聲流量計(jì)夾裝在阻力件前后20D之外，這也是超聲流量計(jì)使用要求。但現(xiàn)場(chǎng)條件無(wú)法滿足時(shí)，最好將其安裝在阻力件之前，并盡量遠(yuǎn)離阻力件，愈靠近阻力件誤差就越大。同時(shí)，測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮流場(chǎng)分布不均勻帶來(lái)的附加誤差。由數(shù)據(jù)可以看出，球閥前5D、10D處的流場(chǎng)影響量遠(yuǎn)小于球閥后5D、10 D處。球閥后5D處的截面平均流速與標(biāo)準(zhǔn)流速相差近4%，這與實(shí)流現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)所得的結(jié)果是相符合的（見(jiàn)表1、表3中加*數(shù)據(jù)）。

3 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬試驗(yàn)的結(jié)果，可以得出使用便攜式超聲流量計(jì)進(jìn)行在線流量檢定時(shí)結(jié)論：

（1）重復(fù)性及再現(xiàn)性對(duì)于檢定結(jié)果的影響范圍約為±(0.2～0.4)%。

（2）管道壁厚及內(nèi)徑參數(shù)對(duì)于檢定結(jié)果的影響范圍約為±(0.2～0.4)%。

（3）管道內(nèi)襯對(duì)于檢定結(jié)果的影響范圍約為±(0.5～1.0)%。

（4）現(xiàn)場(chǎng)安裝管路條件對(duì)于檢定結(jié)果的影響范圍約為±(4.0～5.0)%。

總之，液體流量計(jì)在線檢定時(shí)應(yīng)選擇合適的安裝位置，仔細(xì)安裝超聲流量計(jì)、測(cè)量管道壁厚及內(nèi)徑，減少安裝操作附加誤差。如現(xiàn)場(chǎng)確實(shí)無(wú)法將超聲流量計(jì)夾裝在阻力件之前，需考慮在測(cè)量結(jié)果上附加流場(chǎng)不均勻帶來(lái)的誤差，應(yīng)盡可能充分了解甚至測(cè)量安裝點(diǎn)前后阻力件的距離，以便可以通過(guò)CFD數(shù)值模擬估算誤差值。

[1]韓占忠, 王敬, 白小平.FLUENT 流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2004.

[2]李勇, 劉志友, 安亦然.介紹計(jì)算流體力學(xué)通用軟件-FLUENT[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展, 2001, 16( 2 ): 255-259.