多声道超声流量计在弯管段安装的适应性研究

　　1　引　　言

　　多声道超声流量计是近年来超声流量计发展的一个重要方向,在一些大型管道的流体测量工程领域,如三峡水电工程、热电项目等广泛使用。声道数量、布置方式及安装角度对多声道超声流量计测量精度影响显著[1],如何根据流场的分布情况配置最优声道方案对于测量结果显得尤为重要。KurnadiD等[2]提出了一种网络式的多声道布置方案,它由8个发射换能器和8个接收换能器组成,能构建不同的64组声道的测量,使用该多声道流量计能实现高精度测量,且能重构流场的分布,但该流量计结构复杂,不利于推广。EmmanuelleM等[3]利用对角六边形多声道布置方案实现18声道高精度测量,并构造了管道截面的速度分布图。Moore I P等[4]对Salami学者提出的23种湍流速度分布中常见的14种,分别利用径向声道、正交声道等7种不同的声道布置方式进行了理论计算,并分析了各种声道对流场的适应性。贺胜等[5]采用CFD计算获取管道内的流场信息并通过数值计算获得K系数随雷诺数的变化规律,进而获得K系数随雷诺数变化最小的最优声道位置。针对多声道流量计的声道布置及权系数的分配,美国机械工程学会制定了相关的行业标准ASMEPTC 18—2002[6]。关于超声流量计对直管段的要求普遍认为前直管段要满足10D以上,后直管段要在5D以上(D—管道直径)[7-8]。而对于不具备直管段安装要求,需要在弯管处安装时如何保证测量精度的研究甚少。本文主要针对ASMEP TC 18—2002标准对8声道与18声道的布置要求,在借鉴前人研究的基础上,分别对DN400管路在弯管处安装多声道超声流量计进行了流场数值仿真和试验研究,重点分析了声道数、声道断面及安装角度对测试结果的影响,以期通过数值仿真与试验结合的方法优化声道布置方案。

　　2　流量计模型及误差分析

　　2.1　流量计数学模型

　　多声道流量计测量方法是根据每组声道对流场整体的贡献性分配不同的权系数,计算体积流量如式(1)所示[9]:

　　如何布置声道位置并合理分配其权系数,对于流量计测试的精度极为重要。目前常用的方法是利用高斯-勒让德、高斯-雅克比、切比雪夫等数值求解的方法去计算声道位置与对应的权系数[4]。由于高斯-雅克比方法较其他方法求解具有更高的代数精度,且由于声道位置的一致性, 9声道可在4声道的基础上添加声道得到。对于试验来说,利用18声道双断面即可完成4声道、9声道单断面与8声道、18声道双断面的测试,因此本文采用的声道数学模型由高斯-雅克比数值积分法而得[10].模型的计算如下所示:

　　对式(2)进行变形,可得雅克比数值积分法的标准形式如式(3)所示: