超声流量计探头对流场及其测量性能影响研究

　　0　引　言

　　超声流量计近10年发展迅速,与传统流量计相比,具有无压力损失,测量范围宽、重复性高等优点,且具有较高的测量精度。目前,多声道超声流量计广泛应用于国内外大型水电站输水管道的流量计量,以实现水轮机效率和状态的在线监测[1]。此外,美国、荷兰等12个国家已将多声道超声流量计应用于天然气贸易输送计量[2]。我国在“西气东输”工程中,也正在研究用超声流量计取代传统的孔板流量计达到准确计量、节能降耗的目的[3]。

　　但在实际应用中发现,为了避免输送介质时管道中的杂质、管衬、结垢、沉淀物等遮住探头,影响探头收发信号,一般会将探头插入管内。以往学者对该问题进行了研究。杉下钟尾[4]根据管道内流体理论速度分布公式,选取探头间的流速分布进行数值积分得到各声道线平均速度,由此求得的声道线平均速度偏大,导致测量误差均为正值。作者虽然考虑到探头插入管内使声道长度缩短,但是忽略了探头对流场的影响。此外,探头形状及其插入深度不同对流场的影响.也不同,也会对测量误差造成影响。A.Voser[5-6]对ACCUSONIC公司的7600型超声流量进行研究,指出探头对测量误差的影响随着管径增大而逐渐减小。T. Staubli, T. Tresch[7]对RITTMEYER公司的一款Risonic型超声流量计进行研究,指出探头对测量误差的影响与雷诺数、管壁粗糙度有关。

　　实际上由于探头的存在,势必会使管道内尤其是探头附近的流场产生变化,而超声流量计测得的体积流量与各声道上的速度分布密切相关。因此,探头附近流场的变化将直接影响测量结果。拟采用Fluent流体力学数值仿真软件对这一问题展开研究,讨论超声探头在一种典型安装方式时,探头对超声流量计测量性能的影响规律。在此基础上,通过流场分析,揭示探头对流场的影响机理,从而解释分析仿真结果。

　　1　多声道超声流量计工作原理

　　多声道超声流量计的工作原理如图1所示,分别为其前视图和侧视图。在被测管道上设置n个(单测量断面A或B)或2n个(双测量断面A和B)平行测量声道,声道位置按照Gauss-Jacobi积分方法[8-10]布置,求取每个声道上的线平均流速,进而利用Gauss-Jacobi权系数加权计算出面平均流速和流量。

　　对于双断面测量来说,取两个断面测量体积流量的平均值即为最终的流量值。(下文中“声道”均表示“实际声道,即声道上发射探头和接收探头之间的范围”)。工业上常用的超声流量计多是基于时差法测量原理,各声道的线平均速度通过测量时差反映。由于Fluent仿真方法无法引入声波传播时间,因此各声道线平均流速均采用对声道上各节点速度进行线积分的　　方法得到。如图2所示,流动为x方向,管道直径为D,声道ab与x、y、z轴正方向夹角分别为α、β、γ,有