化工管道結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度影響的研究

韓思奇

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津 300350）

超聲波流量計(jì)得益于計(jì)算原理簡(jiǎn)單、測(cè)量過(guò)程不與介質(zhì)直接接觸、在不同管徑下精度較高、易于組網(wǎng)監(jiān)控等特點(diǎn)，在化工領(lǐng)域的流體測(cè)量中越來(lái)越受到人們重視。超聲波流量計(jì)是近年來(lái)儀器儀表領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，因其測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，而且安裝使用非常方便。但是，能夠增加超聲波流量計(jì)測(cè)量誤差的因素也很多，如能夠準(zhǔn)確計(jì)算超聲波在流體中的傳播時(shí)間、管道內(nèi)流體是否是理想狀態(tài)下流動(dòng)、換能器接收信號(hào)的性能以及超聲波流量計(jì)的安裝位置等[1]。

煉油廠中化工管路是運(yùn)輸原油、天然氣以及其他化學(xué)品介質(zhì)的主要方式。然而，由于實(shí)際工況下石油化工管道結(jié)構(gòu)的差異，如90°彎管、T型管、變徑管等；加上輸送化學(xué)品普遍具有腐蝕性，會(huì)增加管道內(nèi)壁的粗糙度，導(dǎo)致管道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)像非理想流體流動(dòng)變化，進(jìn)而影響流量監(jiān)測(cè)的精確度[2]。

計(jì)算流體力學(xué)軟件（FLUENT）是當(dāng)今流體力學(xué)領(lǐng)域使用比較廣泛的商業(yè)軟件，其模擬仿真結(jié)果比較貼近實(shí)際情況，因此研究采用仿真的方法可以有效節(jié)省人力物力。目前超聲波流量計(jì)的聲道算法大多是以理想流體流動(dòng)為前提的，當(dāng)管道結(jié)構(gòu)等條件發(fā)生改變后容易造成流型的突變，從而影響測(cè)量準(zhǔn)確度[3-4]。從當(dāng)前研究結(jié)果分析，對(duì)于上游阻流件或管道內(nèi)壁粗糙度對(duì)流體流型以及流量計(jì)測(cè)量精度的影響研究尚在起步階段。

本研究建立了直管以及T型管兩種工業(yè)常見(jiàn)石油化工管道模型，考察了流體速度以及管道粗糙程度對(duì)于流型的影響，以提高流量計(jì)的測(cè)量精度。

1 超聲波流量計(jì)原理

流體流動(dòng)方向會(huì)對(duì)超聲波的傳播速度造成影響，這就是基于時(shí)差法下流量計(jì)的檢測(cè)原理，也是流體速度、流量監(jiān)測(cè)比較有效的方式。超聲波的傳播方向與流體同向，則傳播時(shí)間會(huì)減少；如果與流體流動(dòng)方向相反則傳播時(shí)間延長(zhǎng)[5]。

2 管道模型及仿真設(shè)置

2.1 幾何模型的建立

考慮到管道上游阻流件結(jié)構(gòu)會(huì)造成管道內(nèi)出現(xiàn)渦流等非對(duì)稱流型，其湍動(dòng)程度也會(huì)發(fā)生變化，因此，建立直管及T型管管道模型，分析流動(dòng)狀態(tài)的改變對(duì)于超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的影響。管道結(jié)構(gòu)包括入口管道、出口管道以及上下游直管段組成，管道直徑D=50 mm，超聲波流量計(jì)安裝檢測(cè)位置為距水平入口管道20D處。

2.2 FLUENT仿真設(shè)置

利用GAMBIT軟件進(jìn)行管道模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格的劃分，將T型管道中垂直入口與水平入口交接處進(jìn)行加密處理，整體模型網(wǎng)格數(shù)量50萬(wàn)左右。選擇水作為流體介質(zhì)，由于觀察非理想流動(dòng)下流型的變化，因此管道內(nèi)流體雷諾數(shù)較高，屬于湍流狀態(tài)，選擇RNG k-?湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

為使仿真結(jié)果更加貼近實(shí)際情況數(shù)據(jù)，使模擬過(guò)程更加合理化，要對(duì)FLUENT操作變量進(jìn)行設(shè)置。

（1）規(guī)定初始入口流速為0.3 m/s、1 m/s、2 m/s，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)分別為5.0×104、1.6×105、3.3×105，使管道內(nèi)流體流動(dòng)形成3種明顯的湍動(dòng)程度。（2）改變管道粗糙度，設(shè)定粗糙高度為0 m、0.005 m、0.01 m，考察在管道光滑度不均勻情況下如何對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行修正，以提高超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。

3 仿真結(jié)果討論

3.1 速度場(chǎng)對(duì)管道內(nèi)流體流型的影響

圖1和圖2是直管及T型管結(jié)構(gòu)下管道內(nèi)流體流動(dòng)的速度分布云圖。通過(guò)仿真分析可以看到，不論流體在直管還是T型管內(nèi)流動(dòng)，由于水自身具有黏度、靠近管壁處存在邊界層效應(yīng)，管道截面處流體流型均存在速度梯度，靠近管內(nèi)壁處速度為零、遠(yuǎn)離壁面處流速相對(duì)較高，而且隨著上游管道形狀以及初始流速的改變，流體受到的阻力也會(huì)隨之變化，導(dǎo)致流場(chǎng)分布的不均勻性。

圖1 不同速度下直管內(nèi)流體速度分布

圖2 不同速度下T型管內(nèi)流體速度分布

當(dāng)流體入口速度由0.3 m/s提高至2 m/s后，管道雷諾數(shù)從5.0×104變?yōu)?.3×105，流體的湍動(dòng)程度有了較大幅度的提高。對(duì)于直管，流體流速由0.3 m/s提升至1 m/s時(shí)管道內(nèi)速度梯度分布比較規(guī)則，速度分布整體呈對(duì)稱分布，當(dāng)流速進(jìn)一步提高至2 m/s后，管道內(nèi)任何微小的突起（如管道間焊接處等）都會(huì)使流體流動(dòng)的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而造成了速度云圖的隨機(jī)性及無(wú)序性；在T型管中，兩股入口流體在管道交接處會(huì)有渦旋產(chǎn)生，此時(shí)流體受到的離心力作用很強(qiáng)，速度最大值等值面逐漸偏離軸心處，管道截面處會(huì)出現(xiàn)部分流速較低區(qū)域，而且隨著管道雷諾數(shù)的提升這種速度極值面積更加明顯。此時(shí)，可以采用延長(zhǎng)下游緩沖管道長(zhǎng)度，在工況允許條件下將超聲波流量計(jì)安裝位置后移至完全發(fā)展流段等方式來(lái)減少因?yàn)榱餍透淖冊(cè)斐傻臏y(cè)量誤差。

3.2 管道粗糙度對(duì)于流體流型的影響

在化工廠實(shí)際生產(chǎn)中，管道輸送的化學(xué)品會(huì)發(fā)生沉淀，使管道內(nèi)壁會(huì)有不同程度的突起，也就是粗糙度有所提高，導(dǎo)致管道內(nèi)徑的減少。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著粗糙度的提高，管道截面處流體的速度梯度越來(lái)越明顯，而且速度分布對(duì)稱性逐漸降低。說(shuō)明管道直徑在流量計(jì)測(cè)量的精確度方面還是非常重要的，如果不能定期對(duì)管道進(jìn)行測(cè)量和清洗，可以通過(guò)優(yōu)化算法，調(diào)整超聲波流量計(jì)聲道系數(shù)來(lái)達(dá)到校準(zhǔn)的目的，修正后的超聲波流量計(jì)可以將管道粗糙度造成的測(cè)量誤差降到最低。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬仿真方式，研究了流體在直管、T型管兩種管道模型下流場(chǎng)變化對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的影響。隨著入口流速的提高，管道內(nèi)流體湍動(dòng)程度逐漸提高，速度等值面的非對(duì)稱性和無(wú)序性增強(qiáng)，通過(guò)加長(zhǎng)直管段管道長(zhǎng)度、調(diào)整超聲波流量計(jì)的測(cè)量位置可以降低由于非理想流體對(duì)于測(cè)量精度的影響；通過(guò)對(duì)管道內(nèi)部不同粗糙度的模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速提高后不光滑的壁面會(huì)使流體流動(dòng)方向發(fā)生改變，從而造成管道截面整體流型的變化，實(shí)際測(cè)量中可以針對(duì)不同管道的腐蝕程度，結(jié)合FLUENT進(jìn)行超聲波流量計(jì)算法的優(yōu)化，調(diào)整權(quán)重系數(shù)已達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。

本研究采取的模擬仿真的分析方法對(duì)于不同管道類型、不同流體介質(zhì)的流動(dòng)情況分析同樣適用，在定性定量確定了影響超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的因素后，下一步可以搭建實(shí)驗(yàn)裝置，探索聲道位置、流量計(jì)安裝角度等因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。