何明昊, 楊 鳴

超聲波燃?xì)獗砭匦瘟鞯赖睦字Z修正系數(shù)仿真研究

何明昊, 楊 鳴*

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211）

在超聲波流量計(jì)測量技術(shù)中, 雷諾修正系數(shù)相關(guān)的研究對(duì)于提高計(jì)量精度有重要作用. 為研究矩形流道的雷諾修正系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系, 對(duì)矩形流道在常溫常壓流量較小情況下進(jìn)行仿真, 結(jié)果發(fā)現(xiàn): 矩形流道層流狀態(tài)下的雷諾修正系數(shù)與雷諾數(shù)呈線性相關(guān). 保持壓強(qiáng)、體積流量不變, 在不同溫度下進(jìn)行仿真及擬合, 結(jié)果表明: 在不同溫度下雷諾修正系數(shù)與雷諾數(shù)的線性關(guān)系依然滿足. 在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 對(duì)矩形流道湍流狀態(tài)下的雷諾修正系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系進(jìn)行研究, 通過改變溫度、壓強(qiáng)和體積流量進(jìn)行仿真及擬合發(fā)現(xiàn), 矩形流道湍流狀態(tài)下雷諾修正系數(shù)與雷諾數(shù)呈非線性相關(guān).

超聲波燃?xì)獗? 矩形流道; 雷諾數(shù); 雷諾修正系數(shù)

近年來, 超聲波燃?xì)獗淼陌l(fā)展十分迅速. 相較于傳統(tǒng)的燃?xì)獗? 超聲波燃?xì)獗砭哂袦y量精度高、壓損小、量程比大、適用氣體范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1]. 過去超聲波燃?xì)獗硪詧A形流道為主. 近幾年, 日本松下公司率先將矩形流道應(yīng)用于家用超聲波燃?xì)獗碇? 隨后我國杭州威星、遼寧思凱等國內(nèi)燃?xì)獗砉疽查_始研發(fā)矩形流道產(chǎn)品, 目前矩形流道已被大量應(yīng)用于超聲波燃?xì)獗? 因此, 如何提升矩形流道下燃?xì)獗淼臏y量精度是超聲波燃?xì)獗硌邪l(fā)的關(guān)鍵. 雷諾修正系數(shù)是超聲波燃?xì)獗碇幸环N與流量測量精度相關(guān)的補(bǔ)償系數(shù), 對(duì)提升流量測量精度有關(guān)鍵作用[2-3]. 但目前國內(nèi)外關(guān)于矩形流道雷諾修正系數(shù)的研究仍較為鮮見.

本文基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)構(gòu)建矩形流道模型, 通過CFD模擬仿真與擬合分析相結(jié)合, 研究矩形流道層流狀態(tài)下雷諾修正系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系、溫度對(duì)矩形流道層流狀態(tài)下的雷諾修正系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系的影響, 以及矩形流道湍流狀態(tài)下的雷諾修正系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系, 以期為提高矩形流道燃?xì)獗淼牧髁繙y量精度提供參考.

1 超聲波流量計(jì)原理

現(xiàn)階段超聲波燃?xì)獗淼牧魉贉y量方法以時(shí)差法為主, 在流道上下游分別安裝超聲波換能器, 以發(fā)射和接收換能器之間的連線作為超聲波信號(hào)傳播路徑[4-5]. 圖1為時(shí)差法超聲波燃?xì)獗頊y量原理.

圖1 時(shí)差法超聲波燃?xì)獗頊y量原理

超聲波信號(hào)在順流方向傳播時(shí)間up、在逆流方向傳播時(shí)間dn的計(jì)算公式分別為:

2 矩形流道模型設(shè)置

在超聲波燃?xì)獗淼牧髁坑?jì)量中, 上下游超聲波換能器之間的對(duì)應(yīng)區(qū)域即為聲道區(qū)域, 流體在此聲道區(qū)域中流動(dòng). 而圓形流道的管徑較大, 聲波覆蓋面較小, 導(dǎo)致測量結(jié)果有偏差, 因此選用矩形流道, 流道狹窄, 聲波能覆蓋整個(gè)模型寬度, 可以更加準(zhǔn)確地測量流體的流量.

通過建模軟件Creo 2.0建立矩形流道模型, 如圖2所示. 矩形流道截面長12mm、寬50mm, 流道長度100mm, 隔板厚度0.3mm, 隔板與隔板、隔板與流道壁間隔均為2.775mm. 在圓形流道中, 通過安裝流速分布器對(duì)流體進(jìn)行整流, 可使流體分布更加均勻, 更適合測量. 而矩形流道尺寸較小,無法安裝流速分布器, 因此需要在其中安裝等間距隔板以達(dá)到整流效果[6].

圖2 矩形流道模型

雷諾數(shù)()的大小決定了流體的流動(dòng)狀態(tài)與流速分布[7]. 當(dāng)小于2300時(shí), 流體為層流狀態(tài); 當(dāng)大于4000時(shí), 流體為湍流狀態(tài); 當(dāng)介于兩者之間時(shí), 為過渡狀態(tài), 一般作為湍流狀態(tài)處理.計(jì)算公式為:

從圖3可知, 矩形流道中氣體流速分布均勻, 在隔板所劃分的局部流道內(nèi)氣體均為層流狀態(tài), 隔板能夠?qū)崿F(xiàn)整流. 但對(duì)矩形流道應(yīng)考慮中間部分流速的影響, 因此在模型線平面流道中間設(shè)置4段連線作為分割段(圖4).

圖3 矩形流道流速分布

圖4 矩形流道分割段

計(jì)算流體力學(xué)是流體力學(xué)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合, 以計(jì)算機(jī)為工具, 對(duì)流體力學(xué)中非理想情況進(jìn)行模擬仿真, 其結(jié)果能夠直觀有效地反映流體的流動(dòng)狀態(tài)[10-11]. 研究雷諾修正系數(shù)需要結(jié)合流體的流動(dòng)狀態(tài), 而實(shí)際流量標(biāo)定裝置并不能直觀地反映流道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)[12].

在對(duì)上述矩形流道設(shè)置基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬仿真. 將模型導(dǎo)入FloEFD仿真軟件, 邊界條件為溫度20℃、壓強(qiáng)10kPa、入口體積流量6.00m3·h-1, 得到4個(gè)分割段上的流速分布(圖5).

圖5 體積流量6.00 m3·h-1時(shí)流速分布

式中:L1、L2、L3、L4分別為4個(gè)分割段根據(jù)式(6)計(jì)算得到的每個(gè)分割段上的線平均流速.

3 擬合分析

3.1 矩形流道層流狀態(tài)下雷諾修正系數(shù)

當(dāng)小于2300時(shí), 流道中氣體為層流狀態(tài), 如圖6所示, 氣體流動(dòng)平穩(wěn), 流速分布均勻.

圖6 矩形流道在層流狀態(tài)下的流速分布

表1 20℃、10kPa條件下Re與Kr值

從表1可知, 當(dāng)體積流量處于最大值10.00 m3·h-1以下時(shí),均小于2300, 氣體處于層流狀態(tài). 通過最小二乘法擬合得出矩形流道在20℃、10kPa條件下r與關(guān)系(圖7).

圖7 層流狀態(tài)下Kr與Re關(guān)系

由圖7擬合結(jié)果可知,r與關(guān)系為:

3.2 矩形流道層流狀態(tài)下對(duì)溫度的適應(yīng)性

表2 不同溫度條件下面平均流速的相對(duì)誤差 %

根據(jù)式(10)計(jì)算得出矩形流道在不同溫度條件下不同流量時(shí)值(表2).

從圖9可知, 在-20~60℃溫度條件下矩形流道相對(duì)誤差滿足測量標(biāo)準(zhǔn). 隨著矩形流道內(nèi)體積流量增加, 在0.06~4.00m3·h-1范圍內(nèi), 不同溫度下相對(duì)誤差曲線皆呈上升趨勢(shì), 在4.00~10.00m3·h-1范圍內(nèi)皆呈下降趨勢(shì), 而在不同溫度條件下相對(duì)誤差曲線的幅值不同, 表明溫度對(duì)矩形流道層流狀態(tài)下r與關(guān)系的相對(duì)誤差曲線幅值存在影響.

圖9 矩形流道在不同溫度條件下的相對(duì)誤差曲線

3.3 矩形流道湍流狀態(tài)下分析

當(dāng)大于4000時(shí), 氣體在流道中為湍流狀態(tài), 流道中存在小漩渦, 流速分布不均勻(圖10).

函數(shù)圖像如圖11所示.

圖11 湍流狀態(tài)下與Re關(guān)系曲線

4 結(jié)論

[1] 王雪峰. 基于時(shí)差法氣體超聲波流量計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2011.

[2] 汪曉凌, 黃江濤. 改善超聲波氣體流量計(jì)測量精度的方法研究[J]. 輕工科技, 2012, 28(9):124-125.

[3] 唐曉宇, 張宏建, 謝翔, 等. 多聲道超聲波氣體流量計(jì)聲平面安裝角度對(duì)測量影響的模型仿真和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 48(7):1923-1929.

[4] 檀盼龍, 韓思奇. 時(shí)差法超聲波流量測量技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 無線互聯(lián)科技, 2018, 15(16):31-32.

[5] 杜曉澤, 劉勝祥. 時(shí)差法超聲波流量計(jì)流量系數(shù)影響因素分析[J]. 工業(yè)計(jì)量, 2019, 29(2):14-15; 38.

[6] 陳浩, 楊鳴. 超聲波流量計(jì)雙彎管流場整直問題的研究[J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器, 2019(4):5-9.

[7] 孔祥強(qiáng), 郭璇, 杜廣生, 等. 基于CFD的超聲波氣表結(jié)構(gòu)與流動(dòng)特性研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2018, 39(9): 220-227.

[8] 孫望, 王魯海, 王兆杰, 等. 基于PIV測量的超聲波流量計(jì)內(nèi)流場特性研究[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2014, 29(6):695- 702.

[9] 林棋, 陳子鑫, 張義勇, 等. 超聲波流量計(jì)概述及流場數(shù)值模擬研究[J]. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督, 2018, 34(11): 43-47.

[10] 賀勝, 彭黎輝, 仲里敏. 基于CFD的超聲波流量計(jì)最優(yōu)聲道位置研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2009, 30(4):852- 856.

[11] 王雪峰, 唐禎安. 超聲波氣體流量計(jì)的管道模型仿真和誤差分析[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2009, 30(12):2612- 2618.

[12] Mousavi S F, Hashemabadi S H, Jamali J. Calculation of geometric flow profile correction factor for ultrasonic flow meter using semi-3D simulation technique[J]. Ultrasonics, 2020, 106:106165.

[13] 鮑敏. 影響氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量精度的主要因素研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2004.

[14] 姚平. 復(fù)雜流場下氣體超聲波流量計(jì)測量精度提升方法[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2018.

[15] 陳煒剛. 氣體超聲波流量計(jì)非理想流場分析與補(bǔ)償方法[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2015.

[16] 李躍忠. 多聲道超聲波氣體流量測量關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2010.

Simulation research on Reynolds correction coefficient of rectangular flow channel of ultrasonic gas meter

HE Minghao, YANG Ming*

( Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

In the measurement technology of ultrasonic flowmeter, the research on the Reynolds correction coefficient plays an important role in improving the measurement accuracy. In order to study the relationship between Reynolds correction coefficient and Reynolds number of the gas in rectangular channel under laminar flow condition, the rectangular flow channel is simulated under the condition of small flow at normal temperature and pressure. Based on the analysis of the fitting results, the conclusion is drawn that the Reynolds correction coefficient of the gas in laminar flow in the rectangular flow channel is linearly related to the Reynolds number. By keeping the pressure and volume flow constant, multiple sets of simulation and fitting experiments are carried out at different temperatures. The results show that the linear correlation between the Reynolds correction coefficient and the Reynolds number is still satisfied at different temperatures. On the basis of the above experiments, the relation between the Reynolds correction coefficient and the Reynolds number of the gas in the rectangular flow channel in the turbulent state is studied. Through simulation and fitting by changing the temperature, pressure and volume flow, it is concluded that the Reynolds correction coefficient of the gas in turbulent flow in the rectangular flow channel is nonlinearly related to the Reynolds number.

ultrasonic gas meter; rectangular flow channel; Reynolds number; Reynolds correction coefficient

TH814

A

1001-5132（2021）02-0025-06

2020?08?15.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

何明昊（1995－）, 男, 湖北武漢人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 超聲波氣體流量計(jì). E-mail: 651944260@qq.com

楊鳴（1963－）, 男, 浙江寧波人, 研究員, 主要研究方向: 超聲波計(jì)量及顯微圖像處理. E-mail: yangming@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 史小麗）