超聲流量計(jì)探頭安裝位置對測量影響數(shù)值仿真研究
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超聲流量計(jì)近十年發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)流量計(jì)相比，具有無可動部件、管道中無阻擋件、無壓力損失，測量范圍寬、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量，且具有較高的測量精度。目前，多聲道超聲流量計(jì)廣泛應(yīng)用于國內(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。此外，美國、荷蘭、英國和德國等12個國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。但在其使用過程中存在一個亟待解決的問題，即受流量標(biāo)準(zhǔn)裝置口徑的限制，無法對大口徑超聲流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定。因此，近些年來研究人員也在探索對其進(jìn)行非實(shí)流標(biāo)定的方法，并取得了顯著成果。時差式超聲流量計(jì)的測量原理是基于長度和時間這兩個基本量的結(jié)合，其導(dǎo)出量溯源性較好。對于符合國際標(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)定方法的過程中，存在一個關(guān)鍵問題尚待研究和解決。美國國家規(guī)程（ASMEPTC18-2002）提到：超聲探頭相對于管道內(nèi)壁凹陷或凸起會對測量產(chǎn)生影響。凹陷會使流場產(chǎn)生扭曲變形；凸起會使測量聲道的流速不完整，導(dǎo)致測量值偏低。一般聲道長度為1m時會偏低0.35%，5m時偏低0.05%，這個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)壁對測量的影響，指出當(dāng)口徑大于2m且流速不低于0.1m/s時，探頭對測量的影響可以在±0.5%以內(nèi)，口徑越小，探頭對流場的影響越嚴(yán)重，測量誤差越大。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等通過試驗(yàn)方法驗(yàn)證了VOSER的結(jié)論，但同樣缺少對結(jié)論的分析和解釋。2006年RENALDAS利用溫差式風(fēng)速儀對探頭凹陷在管壁的情況實(shí)測了各聲道的速度分布，指出凹槽處流動會產(chǎn)生扭曲，破壞速度分布的對稱性，進(jìn)而對流量測量造成影響。文中的分析是對前人研究成果的補(bǔ)充和解釋，但仍無法獲知探頭對管道內(nèi)整個流場造成的影響。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)值仿真同時開展研究，對探頭插入管道以及凹陷在管壁兩個典型位置進(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)。再通過數(shù)值仿真從微觀上分析探頭對流場內(nèi)部的影響，獲得探頭安裝位置對流量測量的影響規(guī)律，進(jìn)而定量給出探頭影響引入的測量誤差。
1 仿真模型建立
建模尺寸按照唐山匯中儀表公司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。
圖1 DN500 18聲道超聲流量計(jì)
圖2 探頭安裝位置
圖3 建模模型
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