超聲流量計探頭安裝位置對測量影響數值仿真研究
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超聲流量計近十年發展迅速，與傳統流量計相比，具有無可動部件、管道中無阻擋件、無壓力損失，測量范圍寬、重復性高等優點，其中最為突出的優點是可用于大管徑流量測量，且具有較高的測量精度。目前，多聲道超聲流量計廣泛應用于國內外大型水電站輸水管道的流量計量，以實現水輪機效率和狀態的在線監測。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應用于15cm（6in）以上口徑的天然氣貿易輸送計量。我國在“西氣東輸”工程中，也正在研究將超聲流量計取代傳統的孔板流量計達到準確計量、節能降耗的目的。但在其使用過程中存在一個亟待解決的問題，即受流量標準裝置口徑的限制，無法對大口徑超聲流量計進行實流標定。因此，近些年來研究人員也在探索對其進行非實流標定的方法，并取得了顯著成果。時差式超聲流量計的測量原理是基于長度和時間這兩個基本量的結合，其導出量溯源性較好。對于符合國際標準的多聲道超聲流量計，其流量積分公式中的所有系數均是確定不變的，這為非實流標定方法精度打下了基礎。
在落實和完善非實流標定方法的過程中，存在一個關鍵問題尚待研究和解決。美國國家規程（ASMEPTC18-2002）提到：超聲探頭相對于管道內壁凹陷或凸起會對測量產生影響。凹陷會使流場產生扭曲變形；凸起會使測量聲道的流速不完整，導致測量值偏低。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計和安裝。雖然標準中已有提及，但學者對于該方面的研究卻很少，缺乏強有力的理論分析和數據支撐。1996年VOSER通過數值仿真方法研究8聲道超聲流量計探頭插入管道內壁對測量的影響，指出當口徑大于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，口徑越小，探頭對流場的影響越嚴重，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論。1998年LOWELL等通過試驗方法驗證了VOSER的結論，但同樣缺少對結論的分析和解釋。2006年RENALDAS利用溫差式風速儀對探頭凹陷在管壁的情況實測了各聲道的速度分布，指出凹槽處流動會產生扭曲，破壞速度分布的對稱性，進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充和解釋，但仍無法獲知探頭對管道內整個流場造成的影響。本文在前人研究工作的基礎上，基于實流試驗和數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行討論。實流試驗獲得宏觀的定量結論，且作為驗證數值仿真的基礎。再通過數值仿真從微觀上分析探頭對流場內部的影響，獲得探頭安裝位置對流量測量的影響規律，進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，聲道布置形式以及流量計算參照ASMEPTC18-2002，如圖1所示。
圖1 DN500 18聲道超聲流量計
圖2 探頭安裝位置
圖3 建模模型
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