針對(duì)上游彎管流場變化對(duì)超聲波流量計(jì)測量精度的影響，利用CFD對(duì)測量管道內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，并設(shè)計(jì)整流器改善由彎管導(dǎo)致的明顯的二次流和渦流等情況，以減小超聲波流量計(jì)測量誤差。研究對(duì)象為基于時(shí)差法的 DN15 超聲波液體流量計(jì)，流量范圍在0.1~1.5m3/h 內(nèi)，上游彎管與流量計(jì)之間測試直管段距離為 2~20D。對(duì)比超聲波流量計(jì)加裝整流器前后測量誤差，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，未整流時(shí)流量計(jì)隨著直管段越短測量誤差越大，安裝的整流器可以改善管道內(nèi)流場的速度分布，將直管段長度縮短為 10D，提升超聲波流量計(jì)測量誤差滿足在±1.5%以內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

超聲波流量計(jì)具有非接觸、精度高、智能化、壓損低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。超聲波流量計(jì)精度受影響主要原因有：計(jì)量管段、流場以及回波信號(hào)質(zhì)量。其中超聲波回波信號(hào)是主導(dǎo)因素，信號(hào)采集與處理是流量計(jì)的核心，流場不穩(wěn)定對(duì)計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生直接影響。采用時(shí)差法*先需要測量一對(duì)換能器對(duì)射聲束線平均速度，經(jīng)過修正計(jì)算得到面平均速度進(jìn)而推導(dǎo)出流量，流量測量受渦旋產(chǎn)生的徑向速度分量影響較明顯，因此在測量時(shí)管段內(nèi)部流動(dòng)需充分發(fā)展。但在特定場合由于存在上游阻流件會(huì)影響管段內(nèi)流場分布，增大測量誤差，工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí) 90°彎管較為常見，彎管阻流件改變流場速度分布，產(chǎn)生二次流對(duì)測量結(jié)果有著不可忽略的影響。王雪峰等基于 CFD與試驗(yàn)相結(jié)合方法研究彎管安裝條件，并分析氣體超聲波流量測量誤差影響因素，彎管與安裝位置會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。楊志超等采用 CFD 方法研究平面和空間彎管存在時(shí)，下游熱式氣體流量計(jì)測量偏差，加入整流器對(duì)于減小測量誤差有明顯作用，可大大縮短直管段的長度。Piotr 等通過三種湍流模型進(jìn)行液壓彎管的流動(dòng)模擬與超聲波流量計(jì)測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，討論單個(gè)湍流模型的準(zhǔn)確性。YehTT等通過數(shù)值模擬對(duì)非理想狀態(tài)下超聲波流量計(jì)進(jìn)行仿真分析，得出強(qiáng)烈的二次流使測量準(zhǔn)確度無法保證，傳統(tǒng)流量系數(shù)曲線不再適用。以往的研究目的是避免安裝效應(yīng)對(duì)測量精度的影響，然而在某某些特定應(yīng)用中，由于流體通過彎管之后流場未充分發(fā)展，測量精度受上游阻流件影響很大。本文研究應(yīng)用CFD 對(duì)超聲波流量計(jì)上游阻流件為彎管時(shí)管段內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析超聲波流量計(jì)測量誤差產(chǎn)生的來源。并設(shè)計(jì)整流器對(duì)流場進(jìn)行優(yōu)化，降低特定測試條件下的測量誤差，提高超聲波流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。

1．充分發(fā)展直管段測量誤差

對(duì)于管道內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可分為未充分發(fā)展和充分發(fā)展兩種情況。充分發(fā)展指管段邊界層厚度與管道直徑相等，充分發(fā)展之前的未充分發(fā)展段稱為初始段。流體進(jìn)入直管段后都要經(jīng)歷起始到充分發(fā)展流動(dòng)的過程。

2．?dāng)?shù)值仿真

一般在數(shù)值模擬之前，需驗(yàn)證數(shù)值仿真準(zhǔn)確性。如圖 1所示理論與模擬系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。理論修正系數(shù)通過公式推導(dǎo)計(jì)算得到。模擬系數(shù)是通過數(shù)值模擬方法仿真計(jì)算出 u L 與u A 的比值。理論與模擬系數(shù)間誤差越小，數(shù)值模擬方法越準(zhǔn)確。

圖 1 理論系數(shù)與仿真系數(shù)對(duì)比曲線圖

3．?dāng)?shù)值模擬結(jié)果分析

如圖 2所示為管道內(nèi)部橫截面速度云圖。圖中所展示的流量點(diǎn)的速度，均為Q=1m 3 /h。彎管與流量計(jì)之間直管段分別取 L 0 =2D、4D、6D、8D、10D 和 20D。

圖 2 測量段橫向截面速度等值線

如表1所示為彎管未加裝整流器時(shí)流量誤差。如表1所示，在彎管與測量段間距較小，彎管段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈二次流，對(duì)測量準(zhǔn)確度影響*高可達(dá) 18.97%。直管段增至 8D 后，二次流對(duì)測量精度影響降低至 10%內(nèi)。如圖2所示為彎管流量測量相對(duì)誤差。橫軸為流量，縱軸為相對(duì)誤差。

表 1 彎管未加裝整流器流量誤差

圖2 彎管流量測量相對(duì)誤差

由圖2可得，流量為 0.1~1.5m 3 /h 時(shí)，距離 L 0 越小誤差越大。L 0 相同，則相對(duì)流量誤差曲線趨于直線。隨著流量的增加，相對(duì)流量誤差總體上趨于增加。觀察這幾個(gè)測量段的等值線圖可以看到，在這一距離段的流體分布不均勻，流體分布中存在渦流或二次流現(xiàn)象。

加裝整流器改善測量準(zhǔn)確度根據(jù)以上分析，彎管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生二次流和渦流，對(duì)測量精度有顯著影響。為減少測量誤差，整流器置于管入口處。柵格整流器由等截面的矩形、圓形管構(gòu)成。整流器控制流量，使速度平行管道軸線。將大渦流分裂成小渦流，提高測量準(zhǔn)確度。如圖3所示為柵格整流器幾何結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 柵格整流器幾何模型

為驗(yàn)證本文數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行流量實(shí)驗(yàn)測量，3D 打印柵格整流器如圖4所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由水泵，水箱，調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥，若干長度管道（2~20D），1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，被檢超聲波流量計(jì)，柵格整流器組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

圖 4 柵格整流器實(shí)物

圖 5實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4. 結(jié)論

中國計(jì)量大學(xué)姚爽團(tuán)隊(duì)對(duì)上游彎管對(duì)超聲波流量計(jì)管段內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出 90°彎管會(huì)對(duì)超聲波流量計(jì)測量誤差產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)并安裝柵格整流器改善內(nèi)部流場速度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：存在上游彎管時(shí)，超聲波流量計(jì)隨著彎管出口直管段長度的增加，測量誤差逐漸減小，由 2D 時(shí)的 18%左右減小到 20D 時(shí)的 3.5%以內(nèi)，加裝整流器后在 7%以下。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，相比未加整流器測量誤差范圍減小6%。加裝柵格整流器可有效降低管道流體狀態(tài)擾動(dòng)對(duì)測量誤差的影響，從而減小前直管段的設(shè)計(jì)長度到 10D，并改善了流量計(jì)的綜合適應(yīng)性。

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