超聲流量計(jì)探頭安裝位置對(duì)測(cè)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(dòng)部件、管道中無阻擋件、無壓力損失，測(cè)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(cè)量，且具有較高的測(cè)量精度。目前，多聲道超聲流量計(jì)廣泛應(yīng)用于國(guó)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(cè)。此外，美國(guó)、荷蘭、英國(guó)和德國(guó)等12個(gè)國(guó)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(guó)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(gè)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(duì)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(duì)其進(jìn)行非實(shí)流標(biāo)定的方法，并取得了顯著成果。時(shí)差式超聲流量計(jì)的測(cè)量原理是基于長(zhǎng)度和時(shí)間這兩個(gè)基本量的結(jié)合，其導(dǎo)出量溯源性較好。對(duì)于符合國(guó)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(gè)關(guān)鍵問題尚待研究和解決。美國(guó)國(guó)家規(guī)程（ASMEPTC18-2002）提到：超聲探頭相對(duì)于管道內(nèi)壁凹陷或凸起會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。凹陷會(huì)使流場(chǎng)產(chǎn)生扭曲變形；凸起會(huì)使測(cè)量聲道的流速不完整，導(dǎo)致測(cè)量值偏低。一般聲道長(zhǎng)度為1m時(shí)會(huì)偏低0.35%，5m時(shí)偏低0.05%，這個(gè)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(duì)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(duì)測(cè)量的影響，指出當(dāng)口徑大于2m且流速不低于0.1m/s時(shí)，探頭對(duì)測(cè)量的影響可以在±0.5%以內(nèi)，口徑越小，探頭對(duì)流場(chǎng)的影響越嚴(yán)重，測(cè)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(duì)結(jié)論的分析和解釋。2006年RENALDAS利用溫差式風(fēng)速儀對(duì)探頭凹陷在管壁的情況實(shí)測(cè)了各聲道的速度分布，指出凹槽處流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生扭曲，破壞速度分布的對(duì)稱性，進(jìn)而對(duì)流量測(cè)量造成影響。文中的分析是對(duì)前人研究成果的補(bǔ)充和解釋，但仍無法獲知探頭對(duì)管道內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)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(shí)開展研究，對(duì)探頭插入管道以及凹陷在管壁兩個(gè)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(duì)流場(chǎng)內(nèi)部的影響，獲得探頭安裝位置對(duì)流量測(cè)量的影響規(guī)律，進(jìn)而定量給出探頭影響引入的測(cè)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
評(píng)論