氣體超聲波流量計整流裝置設計與仿真分析

章圣意，姚海濱，董雙雙，李國占，張洪軍

(1.浙江蒼南儀表集團股份有限公司，浙江 蒼南 325802；2.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

超聲波流量計因具有無接觸、無壓損等優點而廣泛應用于諸多領域，但其測量精度易受管內流動狀態的影響[1]。實際應用現場的擾流件會導致管內出現流態畸變現象，且往往無足夠的長直管段供流動緩慢恢復至理想測量條件[2]。

目前，通常在流量計上游加裝整流裝置以減少流態畸變對其測量精度的影響[3-4]。常用的整流裝置有三類。第一類是采用管束式結構將流體分割為若干細小流束以消除二次流和渦流[5]；第二類是采用多孔板式結構以產生軸對稱的速度分布[6-8]；學者們嘗試將第一和第二類整流裝置相結合以實現更好的整流效果，于是就出現了第三類整流裝置[9]。

本文設計了一款第三類整流裝置，運用大渦模擬方法研究該整流裝置對流量計內部畸變流場的整流機理，評估其對流量計測量精度的改善效果。

1 超聲波流量計整流裝置結構

本文研究對象為一款DN50超聲波流量計整流結構。為了使氣體超聲波流量計結構更加緊湊，對整流裝置和超聲波流量測量段進行了一體化設計。流量計測量流道由整流和超聲波流量測量兩部分組成。流體進入流量計流道時，首先經整流裝置進行整直，糾正流動偏斜和畸變，然后進入超聲波流量測量段。當流量計上游存在彎管、閥門等阻流件時，管內會出現二次流造成軸向漩渦，以及流速分布偏斜、嚴重偏離充分發展速度分布等情況。在設計整流裝置時，可從消除和減弱大渦結構和糾正流動偏斜、畸形兩個方面考慮。在糾正流動偏斜、畸形方面，一般可采用多孔孔板或葉片起旋器，而后者能力更強；在消除漩渦流動，糾正流動方向方面，蜂窩整直器是比較通行的選擇。本文設計中采用了起旋器+蜂窩整直器的方案。為了使流體流經起旋器后能有一定的自我修復空間，該方案在起旋器和蜂窩整直器之間留有一定距離。超聲波流量計整流裝置示意圖如圖1所示。

圖1 超聲波流量計整流裝置示意圖

起旋器和蜂窩整直器結構如圖2所示。

圖2 起旋器和蜂窩整直器結構圖

起旋器含有10個風扇式葉片，葉片厚度為0.8 mm，軸向長度為12 mm，葉片的流向傾角沿徑向逐漸增大，輪轂向上游延伸進行光滑過渡。輪轂直徑為10 mm，向上游延伸10 mm進行光滑過度以減少流動分離。蜂窩整直器的蜂窩外接圓直徑為5 mm，蜂窩器軸向長度為30 mm，起旋器葉片尾緣與蜂窩器前緣之間的距離為38 mm。起旋器與蜂窩整直器之間的直管段構成的混合腔整流器的總長度為90 mm。

2 物理模型與數值方法

為了檢驗整流裝置的效果，在超聲波流量計上游設置擾流件，管道內徑d=50 mm，流動為雙彎頭+半開平板的嚴重擾流條件。采用計算流體力學方法，針對這一管道模型進行了仿真研究。其中，擾流件與超聲波流量計的流量范圍為1～160 m3/h。擾流流動管路模型如圖3所示。

圖3 擾流流動管路模型

基于Ansys ICEM軟件，采用模塊化策略，分別對管道、起旋器和蜂窩器各部分流體域進行網格劃分。其中：管道與起旋器采用結構化網格、而蜂窩器則采用非結構化網格，且對壁面附近網格進行加密處理，網格總數約為500萬。計算域網格如圖4所示。

圖4 計算域網格

基于商業軟件Ansys Fluent，采用大渦模擬方法對流量計內部流動進行仿真分析，管道入口邊界設為質量流量入口條件，管道出口邊界設為壓力出口條件，靜壓為大氣壓，整流裝置與管道壁面均設為絕熱無滑移壁面。大渦模擬的亞格子模型選取WMLES模型[10]，壓力與速度耦合方程的求解采用Simple方法，各物理量應用二階迎風格式，最大流量時的時間步長為1×10-5s，待流場達到準穩態后對數據進行平均以獲得時均量。

3 結果與討論

3.1 無/有整流裝置時流場對比分析

擾流件引起流動漩渦和流速分布畸形，對下游很長一段距離內流動分布產生影響，作為一個典型工況，Qmax時流量計內橫截面上的速度云圖如圖5所示。由圖5(a)可見，由于擾流件的存在，橫截面內流速分布發生嚴重畸變，中心區域不再是流速較大區域，流速分布也不再是中間對稱。由圖5(b)可知，由于起旋器和蜂窩整直器的作用，使得管內流速分布重新趨于中心對稱，更接近充分發展狀態。

圖5 Qmax時流量計內橫截面上的速度云圖

超聲波流量計聲道上的瞬時速度分布如圖6所示。由圖6可知，對于無整流裝置情況，聲道上流速分布出現嚴重偏斜和劇烈波動，且其波動幅值隨著流量的增加而增大。這顯然是由于擾流件造成流道內存在強烈的旋渦與二次流的影響；安裝整流裝置之后，不僅效減弱了流量計內部的流速分布偏斜和波動等流動畸變，而且流速分布更為均勻和對稱，更加接近與充分發展狀態。這對于超聲波流量計測量精度的保證是非常重要的。

表1給出了無/有擾流時超聲流量計聲道上的平均速度的比值，該比值越接近于1，說明擾流影響越小，測量越準確。由表1數據可見，對于無整流裝置的情況，相同流量條件下無/有擾流時超聲波流量計聲道上的平均速度存在較大差異，擾流件引起的流態畸變可能會造成測量誤差最高可達20%左右。對于有整流裝置情況，整流器極大限度地減少了流態畸變，相同流量條件下無/有擾流時超聲流量計聲道的平均速度較為接近，偏差均在2.0%以內，顯著減少了管內流態畸變對超聲波流量計測量精度的負面影響。

圖6 超聲波流量計聲道上的瞬時速度分布

表1 無/有擾流時超聲流量計聲道上平均速度的比值

3.2 擾流件距離的影響

擾流件下游流動自身會逐漸恢復，距離越遠其影響會越小，研究流量計與擾流件的距離影響，以便明確整流裝置的安裝要求。為此，對比了距離L=3d、5d、7d和10d這4種工況的流場情況。

圖7和圖8給出了2種流量情況下，不同安裝距離時超聲流量計流量測量段x-y和x-z平面內聲道上的時均速度分布。由圖7(a)和圖8(a)可見，在4種距離情況下x-y平面內流速分布相對都比較對稱；x-z平面內流速分布，當距離為3d時還存在較嚴重偏斜，當整流裝置與擾流件距離在5倍管徑以上時，管內流態畸變已經能夠得到較好糾正，安裝整流裝置后，超聲波流量計上游直管段可要求為5倍管徑。此外，x-y平面內流速分布更加對稱和均勻。即，當超聲波流量計換能器聲道與彎頭(本研究中與其靠近的彎頭)在同一平面內時測量誤差相對較小。

圖7 0.75Qmax時超聲流量計不同聲道上的時均流向速度分布

圖8 0.1Qmax時超聲流量計不同聲道上的時均流向速度分布

表2給出了超聲波流量計x-y和x-z平面聲道上時均速度的均值。

由表2數據可見，隨著整流裝置與擾流件的距離增大，x-y和x-z平面聲道上速度均值的差值隨之減小，表明流量計內部的速度分布趨于均勻。此外，當間距大于5倍管徑時繼續增大間距，兩聲道上速度均值的差值無明顯減小，表明整流裝置與擾流件的安裝間距滿足要求后繼續增大間距所帶來的有利影響有限，反映出本文所設計的整流裝置具有良好的整流效果。

表2 超聲流量計x-y和x-z平面聲道上時均流向速度的均值

4 結論

本文采用大渦模擬方法對超聲波流量計內部的流場進行仿真，分析了所設計的復合整流裝置對流量計內部畸變流場的整流效果。主要結論如下。

①整流裝置采用起旋器與蜂窩整直器組合的整流裝置設計方案，結構緊湊，DN50的整流裝置長度只有90 mm。

②采用流體力學數值模擬方法對整流裝置效果進行了仿真分析。在雙彎頭+半開平板的嚴重擾流條件下，未加裝整流裝置時，位于擾流件下游5d的流量計流速分布仍出現嚴重偏斜和畸變，聲道上平均流速與真實流速偏差達20%；有整流裝置時，聲道上流速均值偏差2.0%以內，整流效果明顯。

③加裝整流裝置后，上游擾流件距離超過5倍管徑時流速分布即可滿足超聲流量計測量需要，縮短了流量計對上游直管段的長度要求。