鄺衛(wèi)華，黃家強(qiáng)，潘旭楓，陳彪彪

(1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子系，廣東廣州511483;2.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州510006)

超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲波束(或超聲波脈沖)的作用以測量流量的儀表［1］，具有非接觸測量、測量范圍寬、安裝簡便、使用方便、特別適合大管徑及危險性流體流量測量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于供水、石油、化工、電力等部門。近幾年來，隨著硬件和數(shù)字信號處理技術(shù)的改進(jìn)，使流量的測量精度有了很大提高［2－3］。

時差法超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成［4］。圖1為測量原理圖，兩側(cè)超聲波換能器相繼完成超聲波的發(fā)射和接收工作。超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中;接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算，從而實(shí)現(xiàn)流量的檢測和顯示。

圖1 超聲波流量計測量原理圖

1 超聲波流量計水流特性分析

超聲波發(fā)射與接收的精度跟流體流動狀態(tài)有關(guān)，為了深入研究流量計管道內(nèi)流場的分布規(guī)律，擬采用Fluent軟件對測量管道進(jìn)行三維水流特性分析。流量計三維模型采用UG軟件構(gòu)建，然后將模型內(nèi)表面導(dǎo)入Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后借助Fluent軟件實(shí)現(xiàn)流體流動的數(shù)值模擬。

Fluent軟件模擬邊界條件類型取Velocity-inlet方式，其流量Velocity Magnitude取1.5 m/s，出口Outlet為自由出流，區(qū)域Wall取默認(rèn)邊界。

圖2為流量計管道內(nèi)部流線圖。為了準(zhǔn)確描述各部分流場的分布規(guī)律，將流量計分成5個區(qū)域，如圖2所示。

圖2 y=0截面管道內(nèi)部流線圖

圖中區(qū)域①為流體入口斜管段，該區(qū)流速分布均勻，速度梯度變化小，說明該段液體流動平穩(wěn);且該段不在超聲波測量路徑上，因此該段的流體流動狀態(tài)對超聲波發(fā)射和接收不會產(chǎn)生直接影響;但該段中心線與水平管道中心線的夾角θ對水平管道的流場有較大影響，不同的角度將直接影響超聲波發(fā)射和接收的測量精度。

圖中區(qū)域②為左側(cè)換能器的前段管段，由圖2可以看出:該區(qū)產(chǎn)生了漩渦，并且漩渦正好位于超聲波傳輸路徑上，對超聲波的發(fā)射和接收產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響測量精度。漩渦的范圍越大、速度越快，對測量結(jié)果影響越顯著。產(chǎn)生漩渦的原因在于區(qū)域②三面都是固壁，受黏性影響流速為零;另一面受入口流體的沖擊帶動而產(chǎn)生環(huán)向分流，最終形成漩渦。由上述分析可知，區(qū)域②的漩渦是無法消除的，但可以通過優(yōu)化區(qū)域②長度來減少漩渦的范圍和強(qiáng)度。

區(qū)域③位于水平直流管段，該段水平截面以上部分流速較小，速度等值線分布較密;水平截面以下部分流速較大，流速變化梯度相對較小。這說明流體主要沿管道中下部穿過，上部流速小。

區(qū)域④位于右側(cè)換能器附近，該區(qū)流動狀況與區(qū)域②相似，不同在于兩區(qū)漩渦的流動方向、強(qiáng)度存在差異。漩渦范圍、流速大小對超聲波信號的接收與發(fā)射有較大影響。

區(qū)域⑤位于流體出口斜管段，該區(qū)流場分布平穩(wěn)，速度梯度變化小，說明該段液體流動平穩(wěn);且該段不在超聲波測量路徑上，因此該段的流體流動狀態(tài)對超聲波發(fā)射和接收不會產(chǎn)生直接影響;但夾角θ的變化，會引起區(qū)域③、區(qū)域④流場有較大改變，因此該結(jié)構(gòu)參數(shù)對測量有較大的影響。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對水流特性的影響

由上述研究可以看出，此類結(jié)構(gòu)流量計在超聲波傳輸路徑上不可避免會出現(xiàn)漩渦及二次流，漩渦的范圍、強(qiáng)度是影響超聲波流量計測量精度的一個關(guān)鍵性因素。若管道內(nèi)的漩渦數(shù)量越多，范圍越大，速度越快，則測量的精確度就越低;此外，管道內(nèi)流體速度梯度分布也是影響測量精度的一個重要因素，管道內(nèi)流體的速度梯度分布越集中，說明流體流動越平穩(wěn)，超聲波所搭載的流體流速信息也就越準(zhǔn)確。

為了分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對管道水流特性的影響規(guī)律，采用表1所示參數(shù)對流量計進(jìn)行了多次數(shù)值模擬。Fluent軟件模擬邊界條件類型取Velocity-inlet方式，其流量Velocity Magnitude取1.5 m/s，出口Outlet為自由出流，區(qū)域Wall取默認(rèn)邊界。

表1 模擬參數(shù)

2.1 流體流入角θ

圖3為不同角度θ作用下管道內(nèi)部流速等值線圖?？梢钥闯?，換能器附近漩渦區(qū) (區(qū)域②、區(qū)域④，參見圖2所示區(qū)域劃分)流速隨著流入角的增大而呈增大的趨勢。這是因?yàn)殡S著流入角的增大，流體在流速方向上投影越大，產(chǎn)生的動能越大，從而帶動漩渦區(qū)流體以更快的速度旋轉(zhuǎn)。換能器附近渦流范圍越廣，流速越大，越不利于測量精度的提高，因此在結(jié)構(gòu)合理的情況下，選擇較小的流體流入角是有利于測量的。

圖3 不同流入角作用下管道內(nèi)部流場等值線分布

由圖3還可以看出:隨著流入角度的增大，水平直流區(qū) (區(qū)域③)流體等值線分布變得更為密集，說明該區(qū)段流速的速度梯度變化大，流體流動不穩(wěn)定，這是不利于測量的。而且隨著流入角度的增大，水平直流區(qū) (區(qū)域③)的流體會以管道中心線所在水平截面為界出現(xiàn)兩個明顯不相同的流動區(qū)域 (如圖3(d)所示)，嚴(yán)重降低超聲波流量計的測量精度。因此，在結(jié)構(gòu)合理的情況下，應(yīng)選擇較小的流入角度。

2.2 管道長度L與L1

圖4為不同管道長度L1作用下管道內(nèi)部流速等值線分布圖，它從側(cè)面反映了L1與L的比例對流場的影響規(guī)律。

圖4 不同管道長度作用下管道內(nèi)部流場等值線分布

可以看出:隨著L1的增大，漩渦范圍 (區(qū)域②、區(qū)域④)明顯減少，這對提高超聲波發(fā)射和接收的精度是非常有利的;此外，隨著L1的增大，水平段區(qū)域③的速度等值線分布越顯均勻，說明流場更為穩(wěn)定，這對提高超聲波測量精度是有利的。因此，在結(jié)構(gòu)合理的情況下，應(yīng)適當(dāng)增大L1，增大L1/L的比值，從而增大超聲波傳輸測量的距離。

2.3 管道直徑D

圖5為不同管道直徑作用下管道內(nèi)部流場速度等值線分布圖。

圖5 不同管徑作用下管道內(nèi)部流場等值線分布

可以看出:隨著管徑的增大，水平段流場分布更為均勻;此外，隨著直徑的增大，換能器附近的漩渦范圍 (區(qū)域②、區(qū)域④)也明顯縮小，說明超聲波的發(fā)射和接收將更為精確，這些都有利于測量精度的提高。因此，適當(dāng)增大流量計管徑有利于提高測量精度，但管徑的增大需綜合考慮D與管道長度L及L1的相對比例，以達(dá)到最優(yōu)的內(nèi)部流場分布形態(tài)。

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對超聲波流量計過流通道水流特性的影響規(guī)律，可以得出如下結(jié)論:

(1)換能器附近有漩渦，且漩渦正好位于超聲波傳輸路徑上，對超聲波的發(fā)射和接收有較大影響;水平管道流場分布不均，下部流速大，且速度梯度小;夾角θ對管道內(nèi)部流場影響明顯。

(2)較小的流入角度θ，有利于改善換能器附近漩渦的范圍及強(qiáng)度，改善水平管道內(nèi)部的流場分布;適當(dāng)增大L1/L的比值，可有效增大超聲波傳輸測量距離，提高測量精度;適當(dāng)增大管徑D有利于改善管道內(nèi)部流場，但需綜合考慮D與管道長度L及L1的相對比例，以達(dá)到最優(yōu)的內(nèi)部流場。

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