超声流量计探头安装位置对测量影响数值仿真研究
超声流量计近十年发展迅速，与传统流量计相比，具有无可动部件、管道中无阻挡件、无压力损失，测量范围宽、重复性高等优点，其中最为突出的优点是可用于大管径流量测量，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。此外，美国、荷兰、英国和德国等12个国家已将多声道超声流量计应用于15cm（6in）以上口径的天然气贸易输送计量。我国在“西气东输”工程中，也正在研究将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。但在其使用过程中存在一个亟待解决的问题，即受流量标准装置口径的限制，无法对大口径超声流量计进行实流标定。因此，近些年来研究人员也在探索对其进行非实流标定的方法，并取得了显著成果。时差式超声流量计的测量原理是基于长度和时间这两个基本量的结合，其导出量溯源性较好。对于符合国际标准的多声道超声流量计，其流量积分公式中的所有系数均是确定不变的，这为非实流标定方法精度打下了基础。
在落实和完善非实流标定方法的过程中，存在一个关键问题尚待研究和解决。美国国家规程（ASMEPTC18-2002）提到：超声探头相对于管道内壁凹陷或凸起会对测量产生影响。凹陷会使流场产生扭曲变形；凸起会使测量声道的流速不完整，导致测量值偏低。一般声道长度为1m时会偏低0.35%，5m时偏低0.05%，这个误差取决于超声传感器的设计和安装。虽然标准中已有提及，但学者对于该方面的研究却很少，缺乏强有力的理论分析和数据支撑。1996年VOSER通过数值仿真方法研究8声道超声流量计探头插入管道内壁对测量的影响，指出当口径大于2m且流速不低于0.1m/s时，探头对测量的影响可以在±0.5%以内，口径越小，探头对流场的影响越严重，测量误差越大。但文章中并未分析解释造成这种影响的原因，只给出了最后的定量结论。1998年LOWELL等通过试验方法验证了VOSER的结论，但同样缺少对结论的分析和解释。2006年RENALDAS利用温差式风速仪对探头凹陷在管壁的情况实测了各声道的速度分布，指出凹槽处流动会产生扭曲，破坏速度分布的对称性，进而对流量测量造成影响。文中的分析是对前人研究成果的补充和解释，但仍无法获知探头对管道内整个流场造成的影响。本文在前人研究工作的基础上，基于实流试验和数值仿真同时开展研究，对探头插入管道以及凹陷在管壁两个典型位置进行讨论。实流试验获得宏观的定量结论，且作为验证数值仿真的基础。再通过数值仿真从微观上分析探头对流场内部的影响，获得探头安装位置对流量测量的影响规律，进而定量给出探头影响引入的测量误差。
1 仿真模型建立
建模尺寸按照唐山汇中仪表公司DN50018声道超声流量计，声道布置形式以及流量计算参照ASMEPTC18-2002，如图1所示。
图1 DN500 18声道超声流量计
图2 探头安装位置
图3 建模模型
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