超(chāo)聲波流量計在(zai)測量過程中的(de)彎管誤差分析(xī)以及修💔正研究(jiū)

關鍵字：   超聲波流量(liang)計   測量過(guò)程中   彎管(guan)誤差

一、本(běn)文引言 　 　 　

　超(chao)聲波流量計 因(yin)爲具有非接觸(chu)測量 、計量準确(que)度高、運行穩定(ding)、無壓力損失等(deng)諸多優點，目㊙️前(qián)怩在工👅業檢測(ce)領域有着廣泛(fan)的應用，市場對(duì)于相關産品的(de)需求十分🙇🏻地旺(wang)盛。伴随着上個(gè)世紀 80年代(dài)電子技術和傳(chuan)感器技術的迅(xùn)猛發展，對于超(chāo)聲波流量計的(de)基礎研究也在(zai)✍️不斷地深入，與(yu)此相關的各類(lei)涉及到人們生(sheng)産與😍生活的新(xīn)産品也日新月(yuè)異，不斷出現。目(mù)前對于超聲波(bō)流量計測量精(jing)度的研究主要(yao)集中在 3個(gè)方面：包括信号(hào)因素、硬件因素(sù)以及流場因素(sù)這❄️三點。由于超(chāo)聲波流量計對(duì)流場狀态十分(fèn)敏感，實際安🏃🏻裝(zhuang)現場的流場不(bu)穩定會直接影(yǐng)響流量計的測(ce)量精度。對于😘超(chao)聲波流量計流(liu)場研💔究多采用(yong)計算流體力🌈學(xué)（ CFD）的方法，國(guó)内外諸多學者(zhě)對超聲波流量(liàng)計在彎管流場(chang)情況💰下進行數(shù)值仿真，并進行(háng)了實驗驗證。以(yǐ)往的📧研究主要(yao)是針對規避安(ān)裝效應的影響(xiang)。不過在一些中(zhong)小口徑超聲👈波(bo)流量計的應🥵用(yong)場合，因爲受到(dào)場地的限制，彎(wan)管下遊緩沖管(guǎn)道不足，流體在(zai)🚶流經彎管後不(bu)能充分發展，檢(jiǎn)測精度💃受到彎(wān)管下👉遊徑向二(er)次流🎯分速度的(de)極大影響，安裝(zhuang)效應需要評估(gu)，并研究相應的(de)補償⭕方法。

　 　 　 　本研究采用 CFD仿真分析 90°單彎管下遊(yóu)二次流誤差形(xíng)成原因，并得出(chu)誤差的計算公(gong)式，定量地分析(xi)彎管下遊不同(tóng)緩沖管道後，不(bú)同雷諾數下的(de)二次流誤差對(duì)測量精度的影(yǐng)響，zui終得到誤差(cha)的修正規律。通(tōng)過仿真發🤩現，彎(wān)管出口處頂端(duān)和底端的壓力(li)差與彎管二次(ci)流的強度有關(guan)，提出在實際測(cè)量中可通過測(ce)得此壓力差來(lai)對二次流誤差(chà)進行修正的方(fang)法。該研究可用(yong)于分析💰其他類(lei)型✊的超聲波流(liú)量計的誤差分(fen)析，對超聲波流(liu)量計的設計與(yǔ)安裝具有重要(yào)意義。
二、測(ce)量原理與誤差(chà)形成
1.1 超聲(shēng)波流量計測量(liang)原理
本研(yán)究針對一款雙(shuang)探頭時差法超(chao)聲波流量計。時(shí)差法是🈚利用聲(sheng)脈沖波在流體(ti)中順向與逆向(xiàng)傳播的時🔴間差(cha)來測量流體流(liú)♋速。雙探頭超聲(sheng)波流量計原理(lǐ)圖如圖 1所(suǒ)示。
 

　 順向和(he)逆向的傳播時(shi)間爲 t1 和 t2 ，聲道線與管(guan)道壁面夾角爲(wèi) θ ，管道的橫(héng)截面積爲 S ，聲道線上的線(xiàn)平均流速 vl 和體積流量 Q 的表達式：

式中： L —超(chāo)聲波流量計兩(liǎng)個探頭之間的(de)距離； D —管道(dào)直徑； vm —管道(dao)的面平均流速(su)，流速修正系數(shù) K 将聲道線(xiàn)上的速度 vl 修正爲截面上(shang)流體的平均速(su)度 vm 。
1.2 二(èr)次流誤差形成(chéng)原因
流體(ti)流經彎管，管内(nei)流體受到離心(xin)力和粘性力相(xiang)互作🙇🏻用，在管道(dào)徑向截面上形(xíng)成一對反向對(duì)稱渦旋如☁️圖 2所示，稱爲彎(wan)管二次流。有一(yi)無量綱數，迪恩(ēn)數 Dn 可用來(lai)表示彎管二次(ci)流的強度。當管(guǎn)道模型固定時(shí)，迪恩數🈚 Dn 隻(zhī)與雷諾數 Re 有關。研究發現(xiàn)，流速越大，産生(shēng)的二次流強度(dù)越大，随着流♋動(dong)的發展二次流(liu)逐漸減弱。

式中： d —管道(dao)直徑， R —彎管(guan)的曲率半徑。彎(wān)管下遊形成的(de)二次流在徑向(xiang)平面的流動🚩，産(chǎn)生了彎管二次(cì)流的垂直誤差(chà)和水📐平誤差。聲(sheng)♋道線上二次流(liu)速度方向示意(yì)圖如圖 3所(suǒ)示。本研究在聲(shēng)道線路徑上取(qu)兩個觀察面 A和 B，如圖(tú) 3（ a）所示(shi)；聲道線穿過這(zhè)兩個二次流面(mian)的位置爲 a和 b，如圖 3（ b）所示。可(kě)見由于聲道線(xian)穿過截面上渦(wō)的位置不同，作(zuo)🌂用‼️在㊙️聲道線上(shàng)的二次流速度(dù)方向也不同，如(rú)圖 3（ c）所(suǒ)示。其中，徑向平(ping)面二次流速度(dù)在水平方向（ X 方向）上的分(fèn)速度，方向相反(fǎn)。

由于超聲(sheng)波流量計的安(an)裝，聲道線均在(zài)軸向平面，這導(dao)緻系統無法檢(jiǎn)測到與軸向平(píng)面垂直的二次(cì)㊙️流垂直分速度(du)⭐（ Y 方向），産生(sheng)了二次流的垂(chuí)直誤差 Ea，得(dé)到 Ea 的計算(suàn)公式如下：

式中： vf —聲道(dào)線在軸向平面(miàn)上的速度。
二次流水平速(su)度（ X 方向的(de)分速度）直接影(yǐng)響了超聲波流(liú)量計的軸向❓檢(jiǎn)㊙️測‼️平面，對檢測(cè)造成了非常大(dà)的影響。聲道線(xiàn)在空間上先‼️後(hòu)收到方向相反(fan)的二次流水平(ping)速度的作用，這(zhe)在很大程度上(shàng)削弱了誤差。但(dan)反向速度并不(bú)*相等，且超聲波(bo)流量計是按固(gu)定角度進行速(sù)度折算的，超聲(sheng)波傳播速度 vs 對應地固定(dìng)爲軸向流速爲(wei) vd ，而其真實(shi)流速爲 vf ，由(you)此二次流徑向(xiàng)兩個相反的水(shuǐ)平速度，分别導(dǎo)緻了 Δv1（如圖(tú) 4（ a）所示(shi)）和 Δv2（如圖 4（ b）所示）兩(liǎng)個速度變化量(liang)，其中 Δv1 導緻(zhi)測得的流速偏(pian)大， Δv2 導緻測(cè)得的流速偏小(xiǎo)，兩個誤差不能(néng)抵消，産生二次(cì)流✍️的水平👌誤差(chà) Eb ：

式中(zhōng)： vx —聲道線線(xian)上 X 方向的(de)分速度即二次(cì)流水平速度， vz —Z 方向的分速(su)度即主流方向(xiàng)分速度。
三(sān)、數值仿真
2.1 幾何模型
幾何模型采用(yong)的是管徑爲 50 mm的管道，彎管(guǎn)流場幾何模型(xing)示意圖如圖 5所示。其由上(shang)遊緩沖管道、彎(wan)管、下遊緩沖管(guǎn)道、測量管㊙️道、出(chu)口🐕管道 5 部(bu)分構成。全美氣(qi)體聯合會（ AGA）發表的 GA-96建(jian)議，在彎管流場(chǎng)的下遊保留 5倍管徑的直(zhí)管作爲緩沖，但(dan)有研究表明這(zhè)個距離之後二(er)次流的作用仍(reng)十分明顯。
據此，筆者設置(zhi)流量計的 3個典型安裝位(wèi)置來放置測量(liang)管道，分别距上(shàng)遊彎道🤟爲 5D， 10D， 20D。本研(yán)究在彎管出口(kou)處頂部和底部(bu)分别設置觀測(ce)點，測量兩點壓(ya)力，得到兩點的(de)壓力差。
2.2 仿(pang)真與設定
在仿真前，筆者(zhě)先對幾何模型(xíng)進行網格劃分(fèn)。網格💰劃分采🔴用(yong)🏃‍♂️ Gambit軟件，劃分(fèn)時，順序是由線(xiàn)到面，由面到體(ti)。其中，爲了得到(dào)更⛱️好的收斂性(xing)和精度，面網格(gé)如圖 6所示(shì)。其采用錢币畫(huà)法得到的矩形(xíng)網格，體網格如(ru)圖 7所示。其(qí)在彎道處加深(shēn)了密度。網格數(shu)量總計爲 1.53×106。畫好網格後，導(dao)入 Fluent軟件進(jìn)行計算，進口條(tiao)件設爲速度進(jìn)口，出口設爲 outflow，介質爲空氣(qì)。研究結果表明(ming)，湍流模型采用(yong) RSM時與真實(shi)測量zui接近［ 8］，故本研究選擇(ze) RSM模型。
爲了排除次要(yào)因素的幹擾，将(jiāng)仿真更加合理(lǐ)化，本㊙️研究🔞進行(hang)如下設定： ①幾何模型固定(dìng)不變，聲波發射(she)角度設置爲 45°； ②結合流(liú)量計的實際量(liàng)程，将雷諾數（ Re）設置爲從 3000~50000，通過改變進(jin)口速度，來研究(jiu) Re 對測量精(jīng)度的影響； ③由于 Fluent是無(wu)法将聲波的傳(chuan)播時間引入的(de)，對于聲道線上(shang)的速度，筆者采(cǎi)用提取聲道線(xiàn)每個節點上的(de)速度，然後進行(hang)線積分的方法(fa)計算。
四、仿(páng)真結果分析與(yǔ)讨論
3.1 誤差(chà)分析與讨論
彎管下遊緩(huǎn)沖管道各典型(xing)位置（ 5D， 10D， 20D）二次流垂(chuí)直誤差如圖 8（ a）所示，當(dāng)下遊緩沖管道(dao)爲 5D時，二次(ci)流垂直誤差基(ji)本可以分爲兩(liǎng)個階段，起初，誤(wù)差随着 Re 的(de)增大而增大，在(zai) Re 值 13 000之(zhi)前，增幅明顯，當(dang) Re 值在 13 000~16 000時，增幅趨于平(ping)緩。在經過 Re 值 16 000這個後(hòu)，誤差反而随着(zhe) Re 值的增大(dà)而減小。當下遊(you)緩沖管道爲 10D 時，誤差總體(ti)上随着 Re 的(de)增大而增大，在(zài) Re 值 14 000之(zhi)前處于增幅明(ming)顯的上升趨勢(shì)，從 Re 值 14 000之後增幅開始(shǐ)減小。下遊緩沖(chong)管道爲 20D 時(shí)，誤差随 Re 值(zhi)增大而增大，增(zeng)幅緩慢，且并不(bú)十分穩定，這是(shì)由于二次流🏃🏻在(zai)流經 20D時，已(yǐ)經發生衰減，二(èr)次流狀态不是(shì)很穩定。二次流(liu)水平誤差如圖(tu) 8（ b）所示(shi)，其非常顯著的(de)特點是誤差出(chu)現了正、負不同(tóng)的💯情況☂️， 10D 處(chu)由于 Δv1 比 Δv2 要小，測得的(de)流速偏小，誤差(chà)值變爲負，而在(zài) 5D 和 20D 處(chu)， Δv1和 Δv2 的(de)大小關系正好(hao)相反，流速偏大(da)，誤差值爲正，這(zhè)表🚶‍♀️明二次流的(de)🔅水平誤差跟安(an)裝位置有很大(da)關系，甚至出現(xian)了誤差正、負不(bú)同的情況。
對比不同下遊(yóu)緩沖管道，總體(tǐ)看來，随着流動(dòng)的發展😍，二次流(liú)強度減弱，誤差(chà)減小。但在 Re 值 29 000之前， 5D 處的二次流(liu)垂直誤差比 10D 處大，在 Re 值 29 000之後，由(yóu)于變化趨勢不(bu)同， 10D 處的誤(wù)差超過了 5D 處的誤差。可見(jian)，并不是距離上(shang)遊彎管越近，誤(wu)差就越大🐪。對比(bi)兩種誤差可見(jian)，二次流的垂直(zhí)誤差總體大于(yú)二次流的🤟水平(ping)🏒誤差。
3.2 誤差(chà)修正
實際(ji)測量場合下，流(liú)量計本身就是(shi)測量流速的，所(suǒ)以事先🐆并不知(zhī)道彎管下遊的(de)二次流強度，這(zhe)導緻研究人員(yuán)👣在知道誤差規(guī)律的情況下無(wú)法得知實際誤(wù)差。針對該情況(kuang)，結合流體🏃🏻‍♂️經過(guo)彎管後的特點(dian)，本研究在流體(ti)彎管出口處的(de)頂端和底端各(ge)設置一壓力測(ce)試點，得到其出(chū)口處的壓力差(cha)以反映二次流(liu)的強度☎️。雷諾數(shu)與彎管出🏒口壓(ya)力如圖 9所(suo)示。由圖 9可(kě)見，壓力差随着(zhe)雷諾數的增大(da)而增大，在實際(ji)安裝場合，管道(dào)模型固定，由此(ci)，壓力差可用來(lái)反映二💃次流的(de)強🏃‍♀️度。将雷諾數(shu)用壓力差表示(shi)，得到壓力差跟(gēn)二次流的垂直(zhí)誤差和水平‼️誤(wù)差的🔴關系。将兩(liǎng)種誤差結合❗，可(ke)得二次✂️流的總(zong)誤🌈差 E總：
E總 =Ea Eb -Ea ×Eb （ 9）
壓力差與(yu)總誤差關系圖(tu)如圖 10所示(shì)。zui終通過壓力差(chà)來對彎管二次(cì)流誤差進行修(xiu)正，得出壓力差(chà)與修正系數關(guān)系圖。