弯管对超声波流量计的影响

针对上游弯管流场变化对超声波流量计测量精度的影响，利用CFD对测量管道内部流场进行数值仿真模拟，并设计整流器改善由弯管导致的明显的二次流和涡流等情况，以减小超声波流量计测量误差。研究对象为基于时差法的 DN15 超声波液体流量计，流量范围在0.1~1.5m3/h 内，上游弯管与流量计之间测试直管段距离为 2~20D。对比超声波流量计加装整流器前后测量误差，通过实验结果验证，未整流时流量计随着直管段越短测量误差越大，安装的整流器可以改善管道内流场的速度分布，将直管段长度缩短为 10D，提升超声波流量计测量误差满足在±1.5%以内，验证了数值模拟的正确性，对工程实际应用具有一定指导意义。

超声波流量计具有非接触、精度高、智能化、压损低等优点，具有广阔的发展前景。超声波流量计精度受影响主要原因有：计量管段、流场以及回波信号质量。其中超声波回波信号是主导因素，信号采集与处理是流量计的核心，流场不稳定对计量结果产生直接影响。采用时差法*先需要测量一对换能器对射声束线平均速度，经过修正计算得到面平均速度进而推导出流量，流量测量受涡旋产生的径向速度分量影响较明显，因此在测量时管段内部流动需充分发展。但在特定场合由于存在上游阻流件会影响管段内流场分布，增大测量误差，工业现场实际应用时 90°弯管较为常见，弯管阻流件改变流场速度分布，产生二次流对测量结果有着不可忽略的影响。王雪峰等基于 CFD与试验相结合方法研究弯管安装条件，并分析气体超声波流量测量误差影响因素，弯管与安装位置会对测量结果产生不同程度的影响。杨志超等采用 CFD 方法研究平面和空间弯管存在时，下游热式气体流量计测量偏差，加入整流器对于减小测量误差有明显作用，可大大缩短直管段的长度。Piotr 等通过三种湍流模型进行液压弯管的流动模拟与超声波流量计测量结果进行对比，讨论单个湍流模型的准确性。YehTT等通过数值模拟对非理想状态下超声波流量计进行仿真分析，得出强烈的二次流使测量准确度无法保证，传统流量系数曲线不再适用。以往的研究目的是避免安装效应对测量精度的影响，然而在某某些特定应用中，由于流体通过弯管之后流场未充分发展，测量精度受上游阻流件影响很大。本文研究应用CFD 对超声波流量计上游阻流件为弯管时管段内部流场进行数值模拟，分析超声波流量计测量误差产生的来源。并设计整流器对流场进行优化，降低特定测试条件下的测量误差，提高超声波流量计对现场环境的适应性。

1．充分发展直管段测量误差

对于管道内部流体运动状态，可分为未充分发展和充分发展两种情况。充分发展指管段边界层厚度与管道直径相等，充分发展之前的未充分发展段称为初始段。流体进入直管段后都要经历起始到充分发展流动的过程。

2．数值仿真

一般在数值模拟之前，需验证数值仿真准确性。如图 1所示理论与模拟系数进行对比。理论修正系数通过公式推导计算得到。模拟系数是通过数值模拟方法仿真计算出 u L 与u A 的比值。理论与模拟系数间误差越小，数值模拟方法越准确。

图 1 理论系数与仿真系数对比曲线图

3．数值模拟结果分析

如图 2所示为管道内部横截面速度云图。图中所展示的流量点的速度，均为Q=1m 3 /h。弯管与流量计之间直管段分别取 L 0 =2D、4D、6D、8D、10D 和 20D。

图 2 测量段横向截面速度等值线

如表1所示为弯管未加装整流器时流量误差。如表1所示，在弯管与测量段间距较小，弯管段内会产生强烈二次流，对测量准确度影响*高可达 18.97%。直管段增至 8D 后，二次流对测量精度影响降低至 10%内。如图2所示为弯管流量测量相对误差。横轴为流量，纵轴为相对误差。

表 1 弯管未加装整流器流量误差

图2 弯管流量测量相对误差

由图2可得，流量为 0.1~1.5m 3 /h 时，距离 L 0 越小误差越大。L 0 相同，则相对流量误差曲线趋于直线。随着流量的增加，相对流量误差总体上趋于增加。观察这几个测量段的等值线图可以看到，在这一距离段的流体分布不均匀，流体分布中存在涡流或二次流现象。

加装整流器改善测量准确度根据以上分析，弯管内会产生二次流和涡流，对测量精度有显著影响。为减少测量误差，整流器置于管入口处。栅格整流器由等截面的矩形、圆形管构成。整流器控制流量，使速度平行管道轴线。将大涡流分裂成小涡流，提高测量准确度。如图3所示为栅格整流器几何结构示意图。

图3 栅格整流器几何模型

为验证本文数值模拟结果的正确性，搭建实验平台进行流量实验测量，3D 打印栅格整流器如图4所示，实验平台由水泵，水箱，调节阀、节流阀，若干长度管道（2~20D），1 级标准表，被检超声波流量计，栅格整流器组成。实验平台如图5所示。

图 4 栅格整流器实物

图 5实验平台

4. 结论

中国计量大学姚爽团队对上游弯管对超声波流量计管段内部流场进行数值模拟研究，得出 90°弯管会对超声波流量计测量误差产生影响，设计并安装栅格整流器改善内部流场速度分布。实验结果表明：存在上游弯管时，超声波流量计随着弯管出口直管段长度的增加，测量误差逐渐减小，由 2D 时的 18%左右减小到 20D 时的 3.5%以内，加装整流器后在 7%以下。通过实验实测数据验证，相比未加整流器测量误差范围减小6%。加装栅格整流器可有效降低管道流体状态扰动对测量误差的影响，从而减小前直管段的设计长度到 10D，并改善了流量计的综合适应性。

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