基于CFD的超声波流量计最优声道位置研究

　　1　引　　言

　　时差法超声流量计是目前应用最普遍的超声流量计之一。基于时差法测量出的是超声波传播路径上流体的平均流速而不是管道横截面上的平均流速,因此在计算　流量时需要采用K系数法进行修正。K系数为超声波传播路径上的流体平均流速与管道横截面上的流体平均流速的比值[1]。K系数与超声波传播路径有关且随雷诺数变化而变化,研究不同声道的K系数随雷诺数变化规律有利于流量补偿计算和提高测量精度。

　　传统的圆形管道内超声波不同传播路径上流体平均流速与管道截面平均流速的关系已被广泛研究[2-7]。但是对于非圆形管道内不同路径上流体平均流速与管道截面平均流速的关系的报道较少。而采用方形管道的超声波流量计已见报道[8],因此,研究方形管道内不同路径上流体平均流速与管道截面平均流速的关系的十分必要。近年来,建立在经典流体动力学和数值计算方法基础上的计算流体动力学(简称CFD)在解决各种复杂流动和传热问题时表现出很大的优势 [9-12],它兼具理论性和实践性的双重特点,能够避免实验中存在的模型尺寸、流场扰动、测量精度、经费投入等困难,在航空航天、汽车设计、涡轮机设计等方面都有广泛的应用[9]。本文针对时差法超声波流量计方形管道中不同的声道位置,采用CFD计算获取管道内的流场信息并通过数值计算获得不同声道下K 系数随雷诺数的变化规律,并选择K系数随雷诺数变化最小的声道为最优声道。

　　2　基于CFD的K系数计算方法

　　图1所示为一种典型的采用方形管道的时差法超声波流量测量装置,超声波声道布置为V反射型。根据时差法超声波流量计的测量原理[13],其流量计算公式为:

　　通常,随着声道位置的不同,K值差异较大且会随雷诺数变化而变化[7,14-15],这不利于流量补偿计算及测量精度的提高。因此,利用CFD找出K值稳定性最好的声道位置有利于简化补偿计算和提高精度。

　　采用CFD研究不同声道上K值随雷诺数变化而变化规律的过程如下:首先在管道截面上划分出不同的超声波传播途径,为便于计算结果的推广利用,采用超声波路径到管道截面中心的距离与管道特征尺寸的比值来描述声道位置。对于方形管道,其特征尺寸为其截面边长的一半。图2所示为与图1中管道结构相对应的不同V型声道划分的结果,即将V形传播途径从管道中心向外等间隔0.05倍半边长划分为19条传播声道,依次命名为Line0, Line0. 05,…, Line0. 9。完成声道划分后采用CFD计算获得不同雷诺数条件下管道内流场分布.

　　与常规实验方法相比, CFD能够方便地获取管道内的任意位置(Xi,Yi)的流速,因此Vc可以利用图3描述的方法计算获得。假设超声波在静水中的传播速度为Vsw,根据式 (2)可得到超声波在该点沿传播路径方向的平均传播速度Vi,由式(3)可以计算超声波在相邻两个质点之间的传播时间Ti,最后利用式(4)可以求得该声道上流体的平均速度Vc。管道横截面上的流体平均流速Va可以通过面积分获得,根据修正系数的定义K =Vc/Va即可得到对应声道在当前雷诺数条件下的修正系数。