超聲波流量計(jì)在測量過程中的彎管誤差分析以及修正研究

本研究采用CFD仿真分析90°單彎管下游二次流誤差形成原因,并得出誤差的計(jì)算公式,定量地分析彎管下游不同緩沖管道后,不同雷諾數(shù)下的二次流誤差對(duì)測量精度的影響,最終得到誤差的修正規(guī)律。通過仿真發(fā)現(xiàn),彎管出口處頂端和底端的壓力差與彎管二次流的強(qiáng)度有關(guān),提出在實(shí)際測量中可通過測得此壓力差來對(duì)二次流誤差進(jìn)行修正的方法。該研究可用于分析其他類型的超聲波流量計(jì)的誤差分析,對(duì)超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)與安裝具有重要意義。

二、測量原理與誤差形成
1.1 超聲波流量計(jì)測量原理
本研究針對(duì)一款雙探頭時(shí)差法超聲波流量計(jì)。時(shí)差法是利用聲脈沖波在流體中順向與逆向傳播的時(shí)間差來測量流體流速。雙探頭超聲波流量計(jì)原理圖如圖1所示。

順向和逆向的傳播時(shí)間為t1 和t2 ,聲道線與管道壁面夾角為θ ,管道的橫截面積為S ,聲道線上的線平均流速vl 和體積流量Q 的表達(dá)式:

式中:L —超聲波流量計(jì)兩個(gè)探頭之間的距離;D —管道直徑;vm —管道的面平均流速,流速修正系數(shù)K 將聲道線上的速度vl 修正為截面上流體的平均速度vm 。
1.2 二次流誤差形成原因
流體流經(jīng)彎管,管內(nèi)流體受到離心力和粘性力相互作用,在管道徑向截面上形成一對(duì)反向?qū)ΨQ渦旋如圖2所示,稱為彎管二次流。有一無量綱數(shù),迪恩數(shù)Dn 可用來表示彎管二次流的強(qiáng)度。當(dāng)管道模型固定時(shí),迪恩數(shù)Dn 只與雷諾數(shù)Re 有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),流速越大,產(chǎn)生的二次流強(qiáng)度越大,隨著流動(dòng)的發(fā)展二次流逐漸減弱。

式中:d —管道直徑,R —彎管的曲率半徑。彎管下游形成的二次流在徑向平面的流動(dòng),產(chǎn)生了彎管二次流的垂直誤差和水平誤差。聲道線上二次流速度方向示意圖如圖3所示。本研究在聲道線路徑上取兩個(gè)觀察面A和B,如圖3(a)所示;聲道線穿過這兩個(gè)二次流面的位置為a和b,如圖3(b)所示?？梢娪捎诼暤谰€穿過截面上渦的位置不同,作用在聲道線上的二次流速度方向也不同,如圖3(c)所示。其中,徑向平面二次流速度在水平方向( X 方向)上的分速度,方向相反。

由于超聲波流量計(jì)的安裝,聲道線均在軸向平面,這導(dǎo)致系統(tǒng)無法檢測到與軸向平面垂直的二次流垂直分速度(Y 方向),產(chǎn)生了二次流的垂直誤差Ea,得到Ea 的計(jì)算公式如下:

式中:vf —聲道線在軸向平面上的速度。
二次流水平速度(X 方向的分速度)直接影響了超聲波流量計(jì)的軸向檢測平面,對(duì)檢測造成了非常大的影響。聲道線在空間上先后收到方向相反的二次流水平速度的作用,這在很大程度上削弱了誤差。但反向速度并不完全相等,且超聲波流量計(jì)是按固定角度進(jìn)行速度折算的,超聲波傳播速度vs 對(duì)應(yīng)地固定為軸向流速為vd ,而其真實(shí)流速為vf ,由此二次流徑向兩個(gè)相反的水平速度,分別導(dǎo)致了Δv1(如圖4(a)所示)和Δv2(如圖4(b)所示)兩個(gè)速度變化量,其中Δv1 導(dǎo)致測得的流速偏大,Δv2 導(dǎo)致測得的流速偏小,兩個(gè)誤差不能抵消,產(chǎn)生二次流的水平誤差Eb :

式中:vx —聲道線線上X 方向的分速度即二次流水平速度,vz —Z 方向的分速度即主流方向分速度。

三、數(shù)值仿真
2.1 幾何模型
幾何模型采用的是管徑為50 mm的管道,彎管流場幾何模型示意圖如圖5所示。其由上游緩沖管道、彎管、下游緩沖管道、測量管道、出口管道5 部分構(gòu)成。全美氣體聯(lián)合會(huì)(AGA)發(fā)表的5AGA-96建議,在彎管流場的下游保留5倍管徑的直管作為緩沖,但有研究表明這個(gè)距離之后二次流的作用仍十分明顯。
據(jù)此,筆者設(shè)置流量計(jì)的3個(gè)典型安裝位置來放置測量管道,分別距上游彎道為5D,10D,20D。本研究在彎管出口處頂部和底部分別設(shè)置觀測點(diǎn),測量兩點(diǎn)壓力,得到兩點(diǎn)的壓力差。
2.2 仿真與設(shè)定
在仿真前,筆者先對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用Gambit軟件,劃分時(shí),順序是由線到面,由面到體。其中,為了得到更好的收斂性和精度,面網(wǎng)格如圖6所示。其采用錢幣畫法得到的矩形網(wǎng)格,體網(wǎng)格如圖7所示。其在彎道處加深了密度。網(wǎng)格數(shù)量總計(jì)為1.53×106。畫好網(wǎng)格后,導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)口條件設(shè)為速度進(jìn)口,出口設(shè)為outflow,介質(zhì)為空氣。研究結(jié)果表明,湍流模型采用RSM時(shí)與真實(shí)測量最接近[8],故本研究選擇RSM模型。
為了排除次要因素的干擾,將仿真更加合理化,本研究進(jìn)行如下設(shè)定:①幾何模型固定不變,聲波發(fā)射角度設(shè)置為45°;②結(jié)合流量計(jì)的實(shí)際量程,將雷諾數(shù)(Re)設(shè)置為從3000~50000,通過改變進(jìn)口速度,來研究Re 對(duì)測量精度的影響;③由于Fluent是無法將聲波的傳播時(shí)間引入的,對(duì)于聲道線上的速度,筆者采用提取聲道線每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的速度,然后進(jìn)行線積分的方法計(jì)算。

四、仿真結(jié)果分析與討論
3.1 誤差分析與討論
彎管下游緩沖管道各典型位置(5D,10D,20D)二次流垂直誤差如圖8(a)所示,當(dāng)下游緩沖管道為5D時(shí),二次流垂直誤差基本可以分為兩個(gè)階段,起初,誤差隨著Re 的增大而增大,在Re 值13 000之前,增幅明顯,當(dāng)Re 值在13 000~16 000時(shí),增幅趨于平緩。在經(jīng)過Re 值16 000這個(gè)頂峰后,誤差反而隨著Re 值的增大而減小。當(dāng)下游緩沖管道為10D 時(shí),誤差總體上隨著Re 的增大而增大,在Re 值14 000之前處于增幅明顯的上升趨勢,從Re 值14 000之后增幅開始減小。下游緩沖管道為20D 時(shí),誤差隨Re 值增大而增大,增幅緩慢,且并不十分穩(wěn)定,這是由于二次流在流經(jīng)20D時(shí),已經(jīng)發(fā)生衰減,二次流狀態(tài)不是很穩(wěn)定。二次流水平誤差如圖8(b)所示,其非常顯著的特點(diǎn)是誤差出現(xiàn)了正、負(fù)不同的情況,10D 處由于Δv1 比Δv2 要小,測得的流速偏小,誤差值變?yōu)樨?fù),而在5D 和20D 處,Δv1和Δv2 的大小關(guān)系正好相反,流速偏大,誤差值為正,這表明二次流的水平誤差跟安裝位置有很大關(guān)系,甚至出現(xiàn)了誤差正、負(fù)不同的情況。
對(duì)比不同下游緩沖管道,總體看來,隨著流動(dòng)的發(fā)展,二次流強(qiáng)度減弱,誤差減小。但在Re 值29 000之前,5D 處的二次流垂直誤差比10D 處大,在Re 值29 000之后,由于變化趨勢不同,10D 處的誤差超過了5D 處的誤差?？梢?并不是距離上游彎管越近,誤差就越大。對(duì)比兩種誤差可見,二次流的垂直誤差總體大于二次流的水平誤差。
3.2 誤差修正
實(shí)際測量場合下,流量計(jì)本身就是測量流速的,所以事先并不知道彎管下游的二次流強(qiáng)度,這導(dǎo)致研究人員在知道誤差規(guī)律的情況下無法得知實(shí)際誤差。針對(duì)該情況,結(jié)合流體經(jīng)過彎管后的特點(diǎn),本研究在流體彎管出口處的頂端和底端各設(shè)置一壓力測試點(diǎn),得到其出口處的壓力差以反映二次流的強(qiáng)度。雷諾數(shù)與彎管出口壓力如圖9所示。由圖9可見,壓力差隨著雷諾數(shù)的增大而增大,在實(shí)際安裝場合,管道模型固定,由此,壓力差可用來反映二次流的強(qiáng)度。將雷諾數(shù)用壓力差表示,得到壓力差跟二次流的垂直誤差和水平誤差的關(guān)系。將兩種誤差結(jié)合,可得二次流的總誤差E總:
E總=Ea +Eb -Ea ×Eb (9)
壓力差與總誤差關(guān)系圖如圖10所示。最終通過壓力差來對(duì)彎管二次流誤差進(jìn)行修正,得出壓力差與修正系數(shù)關(guān)系圖。(本文由潤中儀表科技整理發(fā)布,如您在使用儀表的過程中遇到任何問題,都可以致電我司的全國銷售服務(wù)熱線:4000-388-535,我們會(huì)有專業(yè)人員為您答疑解惑)