液體流量計在線檢定實驗研究與數值模擬

王 燦 沈 瓊 陳 超/上海市計量測試技術研究院

0 引言

液體流量計是工業生產、貿易結算、節能減排中必不可少的計量器具，被列入國家強制檢定計量器具目錄。后續檢定時，經常需要離線檢測流量計，而有些使用單位由于連續生產無法停流，使得一些使用中的流量計不能及時拆卸、按周期進行檢定，準確性難以確認。同時，對大口徑流量計拆裝和運輸送檢又十分麻煩。為此，多數企業配備了便攜式超聲流量計用以在線自校自檢。此外，許多法定計量機構也在日常工作中使用便攜式超聲流量計進行在線檢定。但在使用過程中，超聲流量計的現場工作條件與實驗室校準的工作條件相差很大，準確度有一定偏離。

針對上述問題，本文根據計算流體力學原理(簡稱CFD)，對不同的管道條件進行數值模擬，得出管道內流場分布結果。通過部分安裝條件下的現場檢定數據與流場數值模擬數據進行比較，進一步討論影響在線液體流量計檢定結果的參數并評估其影響量。希望通過使用數值模擬的方法能夠優化檢定結果，保證數據的可靠性。

1 實流現場試驗

1.1 試驗方案

試驗中使用1.0級外夾式超聲流量計，設定所有試驗均在DN100管道、介質為水、流量為100m3/h條件下，測量結果與0.2級電磁流量計標準表進行比較，測量數據6次為一組，其中1～8數據組前直管段大于15D。

（1）再現性

測量超聲流量計在不銹鋼管道上的誤差及重復性，測一組數據。同一操作人、同一安裝條件下，進行超聲流量計再現性試驗，測兩組數據。三組數據合并比較。

（2）管壁影響

將試驗1的最后一次試驗完成后，所得數據作為基礎數據。不用重新拆裝超聲流量計，僅更改壁厚參數，測兩組數據。

（3）內襯影響

分別安裝四種不同內襯（a無內襯有少量銹跡、b灰漿、c油漆、d聚四氟乙烯）的碳鋼短管至DN100臺位，比較不同內襯情況下的測量結果。各測一組數據（100m3/h流量點），如無信號酌情放棄。

（4）流場影響

超聲流量計在含調節閥（如球閥）、彎管等不同管道條件下，比較測量結果。

1.2 試驗數據

試驗結果見表1。

表1 試驗數據表

分析一：超聲流量計重復性及再現性對于在線檢定的影響。數據(1～3)由同一人在同一測量條件下得出：三組重復性均小于0.2%滿足要求，但三組在同一測量點重復拆裝的誤差值相差接近0.4%，這相對于1.0級的標準表是不可忽略的。因此安裝超聲流量計進行在線檢定時必須要求操作人員謹慎仔細，按照操作規程及超聲使用要求進行安裝。同時，取三組試驗數據的平均值0.17%為誤差參考標準值。

分析二：管道壁厚及內徑參數對于在線檢測的影響。試驗(3)和數據(4)反映了在測量及設定管道壁厚時應盡量保證管道壁厚數據的可靠性。數據(4)中壁厚減小0.5mm，測量結果偏移0.37%；而壁厚值或內徑差超過1mm時超聲流量計提示“信號差或參數有誤”，顯示流量約300m3/h遠超過標準值。

分析三：管道內襯對于在線檢定的影響。試驗中分別安裝了四種不同內襯的碳鋼短管，因聚四氟乙烯該種材質無信號，現場得到三組數據為數據(5～7)。 由數據可知，碳鋼無內襯有少量銹跡管道及油漆內襯的測量結果與不銹鋼管道的測量結果是一致的，而碳鋼灰漿內襯管道的測量結果偏移了0.60%。多組試驗后分析，原因是由于灰漿加襯時含有氣泡或雜質。數據(8)為灰漿內襯改用瀝青參數，即內襯參數誤用的試驗數據。但結果數據卻更接近參考標準值，比灰漿內襯參數的測量結果偏移了0.66%。因此，選擇內襯參數以及內襯實際情況對于在線檢測是十分重要的。

分析四：現場安裝管路條件對在線檢定的影響。試驗中有調節閥條件得到四組數據(9～12)。四組重復性均小于0.2%滿足要求，但誤差值偏離較大，這與流場分布不均勻有關。日常檢定中，經常發現現場條件不能滿足超聲流量計夾裝的基本條件，導致流場分布不均勻，測量結果發生偏離。由試驗數據可知，阻力件（縮管）前的測量值要優于其后的測量值，但偏差值超過4%。

2 CFD數值模擬試驗

現場管道條件及參數多樣的特點使得實流試驗不可能覆蓋全部條件，但可通過CFD數值模擬試驗輔助。數值模擬試驗共分析了12種管道條件下的流場分布情況，表2中僅列出一類用于分析以及和實流試驗數據作比較。

表2 模擬條件表

圖1、2為流場流速分布圖。圖1、2的左面為軸向截面圖，圖1、2的右面為徑向截面圖（圖1、2中各面由遠及近分別代表上游20D、上游15D、上游10D、上游5D、阻力件上游面、阻力件下游面、下游5D、下游10D、下游15D、下游20D）。

以上結果均以DN100口徑、入口100m3/h為模擬條件。標準直管道下截面平均流速3.537 m/s，以此為標準值進行數值比較。由圖1、2可以看出，各種條件下流場均發生了不同程度的分布不均勻的情況。如果在線檢測不考慮現場管道條件，將會給檢測結果帶來較大的誤差。以球閥30°開度流場分布為例，其各徑向截面流速平均值與標準值之差見表3。

表3 徑向截面平均流速表

圖1 球閥30°開度的流場流速分布

圖2 球閥45°開度的流場流速分布

由表3可知，檢測時應盡可能地將超聲流量計夾裝在阻力件前后20D之外，這也是超聲流量計使用要求。但現場條件無法滿足時，最好將其安裝在阻力件之前，并盡量遠離阻力件，愈靠近阻力件誤差就越大。同時，測量時應考慮流場分布不均勻帶來的附加誤差。由數據可以看出，球閥前5D、10D處的流場影響量遠小于球閥后5D、10 D處。球閥后5D處的截面平均流速與標準流速相差近4%，這與實流現場試驗時所得的結果是相符合的（見表1、表3中加*數據）。

3 結論

通過現場實流試驗和CFD數值模擬試驗的結果，可以得出使用便攜式超聲流量計進行在線流量檢定時結論：

（1）重復性及再現性對于檢定結果的影響范圍約為±(0.2～0.4)%。

（2）管道壁厚及內徑參數對于檢定結果的影響范圍約為±(0.2～0.4)%。

（3）管道內襯對于檢定結果的影響范圍約為±(0.5～1.0)%。

（4）現場安裝管路條件對于檢定結果的影響范圍約為±(4.0～5.0)%。

總之，液體流量計在線檢定時應選擇合適的安裝位置，仔細安裝超聲流量計、測量管道壁厚及內徑，減少安裝操作附加誤差。如現場確實無法將超聲流量計夾裝在阻力件之前，需考慮在測量結果上附加流場不均勻帶來的誤差，應盡可能充分了解甚至測量安裝點前后阻力件的距離，以便可以通過CFD數值模擬估算誤差值。

[1]韓占忠, 王敬, 白小平.FLUENT 流體工程仿真計算實例與應用[M].北京: 北京理工大學出版社, 2004.

[2]李勇, 劉志友, 安亦然.介紹計算流體力學通用軟件-FLUENT[J].水動力學研究與進展, 2001, 16( 2 ): 255-259.