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超声波反射装置对超声波流量计过流通道内水流特性的影响

2019-08-27    

   超声波反射装置对超声波流量计过流通道内水流特性的影响,时差式超声波流量计是应用*普遍的超声波流量计之一,传统的时差式超声波流量计过流通道多为圆形直管段,根据过流通道内超声波反射装置的不同,声路的布置方式有V法、Z法、U法、W法等。声路的不同会影响超声波传播距离(声程)、超声波反射强度、方向性等,从而影响超声波流量计的测量精度及稳定性,其主要原因是在超声波流量计过流通道内加装超声波反射装置本身就是对流动的扰动,造成过流通道内流体流动特性复杂,对测量精度产生影 响,因此,研究超声波反射装置对超声波流量计过流通道内水流特性的影响,从而提高超声波流量计的测量精度与稳定性是十分必要的。
时差式超声波流量计测量出的是超声波传播路径上流体的线平均流速,而不是测量流量所需要的管道横截面上的面平均流速,因此在计算流量时需要采用 K系数法进行修正[4-6]。K系数定义式为超声波传播路径上的流体线平均流速v与管道横截面上的流体面平均流速u的比值。超声波流量计加装超声波反射装 置后,应尽量使超声波声路上的K系数受影响较小,能够较稳定的保持在某一值附近。研究以K系数标准差[7]作为衡量不同超声波反射装置优劣的主要依据,研 究了反射片与管壁的间隙、反射片轴向距离以及渐缩通道对K系数的影响,并给出了相关规律。
2 超声波反射装置
研究所采用的超声波反射装置为U型反射,其工作原理如图1所示,发射换能器发出的超声波经两个超声波反射片反射后,被接收换能器接收,完成一次 测量。超声波反射片在中心轴线上的距离为L,与中心轴线的夹角为45°,由表面光滑的金属合金制成,对超声波具有很强的反射作用。超声波传播路径如图中虚 线所示。实际工作中,超声波反射片是以一定的方式固定在过流通道内的。
根据实际应用的超声波反射装置的安装情况,本文主要从以下几个方面研究其对过流通道内水流特性的影响:
1)反射片与管壁的间隙对K系数的影响
采用4支臂反射片,支臂均布,反射片在中心轴距上的距离L=40D/14(D为过流通道直径),其结构如图2所示,反射片在流速方向上的投影如 图3所示,其中d=9D/14。反射片支臂外沿(图3中虚线所示)在过流通道的壁面上。取间隙分别为3D/28、4D/28、5D/28、6D/28、 7D/28,研究反射片与过流通道管壁之间的间隙变化时通道内的水流特性。
2)反射片轴向距离对K系数的影响
使用1)中反射片的模型,d的尺寸为9D/14不变,只改变反射片在中心轴线上的距离L,分别取值为35D/14、40D/14、45D/14、50D/14,研究反射片的距离改变时流道内的水流特性。
3)渐缩通道对K系数的影响
选取1)中的反射片模型,d和L的值都不变,改变反射片之间流道的形状,采用过流面积减小的流道形状,如图4所示,研究此时流道内的水流特性。
3 数值模拟计算
3.1 计算模型
研究采用商业软件FLUENT对安装了不同超声波反射装置的过流通道进行数值模拟,计算采用标准k-ε模型[8-10]。
对于可压缩流体才考虑浮力产生的紊流动能Gb及其相关系数C3ε。当流体为不可压,且不考虑用户自定义的源项 时,Gb=0,YM=0,Sk=0,Sε=0。方程组中所引入的常系数C1ε、C2ε、Cμ及σK,σε的值分别 为:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。
3.2 网格处理
进口直管段和出口直管段都为规则的圆管,划分网格时采用结构网格,网格尺寸为1;基表直管段内部有反射片,不易采用结构网格,故采用非结构网 格,由于基表内的水流特性为课题研究重点,应该采用较细的网格以得到更加**的流场,所以网格尺寸为0. 8,按照上述网格划分方法得到的网格数为一百万左右,并且网格质量较好,满足计算要求。流动区域的直管段网格、反射片处的网格情况如图5所示。
3.3 边界设置
超声波流量计基表的过流通道长40D/7,通道入口前取10D长度的直管段,通道出口后取5D长度的直管段[11],采用速度入口,取流量为2. 5 m3/h时,入口速度为1.57 m/s,出口为自由出流[9-10]。
3.4 计算方法验证
为了验证数值计算方法的正确性,采用以上设置模拟了圆管内湍流流动状态时截面速度分布,结果如图6所示,与已经由Westerweel的实验[12-15]测得的圆管内湍流速度曲线基本是一致的,说明本文研究所采用的数值计算方法是正确的。
3.5 K系数计算
根据连续性方程,流通道内各个横截面的面平均速度是相同的,研究中取过流通道内中心截面的平均速度为面平均速度。以反射装置中心轴线为基准,水 平依次向外间隔D/28的距离等分来取不同的声路,分别记为line0、line1、line2、line3、…,对应的K系数依次编号为0、1、2、 3、…,这一系列声路上的线平均速度由数值模拟计算获得,进而可以计算出不同声路上的K系数值,通过比较每种超声波反射装置K系数的标准差值,获得超声波 反射装置对过流通道内水流特性的影响。
4 计算结果及分析
4.1 反射片与过流通道内壁的间隙对水流特性的影响
图7为超声波反射片与过流通道管壁之间的间隙由3D/28变化7D/28到时,各声路的K系数值,不同间隙的K值标准差如图8所示。
由图7可知,反射片与流动壁面的间隙不同时,各个声路的K值大小不同,但是变化规律基本一致。其K系数曲线在第2条声路附近相交,即在第2条声路(即距离中心轴线2D/28处的声路)附近K值*稳定,不会随间隙的改变而发生剧烈变化。
由图8中不同间隙时的K系数标准差变化规律曲线可知,反射片与过流通道壁面间隙越大K系数的标准差值越小,即此时反射片上从中心轴线到外沿的声路之 间K系数值波动较小,此时的反射片结构较优。这是因为当反射片与过流通道壁面的间隙越大时,反射片的直径就越小,反射片对通道内流体的扰动作用就越小,流 体流过入口反射片时速度分布相对平稳,从而使各条声路上的线速度波动减小。当间隙为7D/28时,图9中等速线数值分别为2. 27 m/s、2. 06 m/s、1. 86 m/s、1. 73 m/s、1.68 m/s,间隙为3D/28时等速线数值分别为2.96m/s、2.69 m/s、2. 13 m/s、2. 01 m/s、1. 94 m/s、1. 82 m/s、1.73 m/s、1.62 m/s,可以看出间隙为7D/28时反射片之间的等速线分布更为稀疏,速度梯度变化较小。
4.2 反射片之间的距离对水流特性的影响
模拟计算了超声波反射片在中心轴线的距离L分别取值为35D/14、40D/14、45D/14、50D/14时K系数的分布规律及标准差值,结果如图10、图11所示。
由结果可以看出,当反射片在中心轴线上的距离L改变时,各条声路上K系数的分布规律基本相同。对于不同轴距的反射片,其K系数曲线在第2条声路(即距离中心轴线2D/28处的声路)附近相差*小,不会随反射片轴距的改变而发生剧烈变化。
当反射片的轴向距离由小到大变化时,K系数的标准差值是减小的,这表明选取较大的L值可以减小各条声路间K系数值的波动。这是因为流体流过入口 处的反射片时,由于反射片对其的扰动会产生漩涡,漩涡需要一定的距离才能消除,增大L的值可以有效消除反射片的扰动产生的漩涡,使两个反射片之间流体流动 相对稳定。从*大轴距的等速线如图12(a)所示,*大速度(图中数字1所示的等速线)和*小速度(图中数字6所示的等速线)分别为2.45m/s、 1.78m/s,*小轴距的等速线如图12(b)所示,*大速度和*小速度分别为2.45 m/s、1.78m/s,可以看出,当轴距为50D/14时比轴距为35D/14时的反射片之间的等速线分布相对稀疏,速度梯度较小。
4.3 过流通道截面积减小对其水流特性的影响
根据以上研究,采用与壁面间隙为D/4,轴距L=25D/7的反射片,过流通道结构不变,此种结构记为M1;在M1的基础上,在距离过流通道中 心截面为15D/14处采用45°倒角过度到内径为5D/7的过流通道,记为M2,通道结如图4所示。计算的结果与上面研究得到的两项*优结果(即只采用 D/4间隙和只采用25D/7的轴向距离,分别记为M3、M4)比较,4种结构的反射装置K系数分布的及K系数标准差值如图13、14所示。
由以上结果可以看出,在第2、3条声路(距离中心轴线D/14、3D/28)附近,不同通道结构和不同尺寸的反射片K系数曲线相差较小,即此处 K系数随反射通道结构的变化波动较小。通过减小过流通道的截面积,即采用渐缩通道,可以明显地使反射片之间各条声路的K系数值波动减小,标准差值降低。这 是因为采用渐缩通道后,由于过流面积的减小,流线变得密集,流体微团之间的剪切力增大,使得流体流动更加稳定,所以渐缩通道对流体流动起很好的整流作用。 同样,通过等速线图可以看出,采用渐缩通道时(M2,如图15所示)比不采用渐缩通道时(M4,图12(a)所示)超声波流量计内两反射片之间的等速线分 布更为平缓,速度梯度更小。
4.4 采用*优声路K系数随流量的变化曲线
采用上述分析的结果,选取*优声路,即M2方案计算K系数得到不同流量点下的K系数分布如图16所示。图中还给出了采用U型反射体超声波流量计实验测量所得到的K系数曲线变化规律,其中*小流量点0.01m3/h由于实验台精度问题不能给出。
可以看出,在流量大于0. 3 m3/h后,K系数基本趋于直线。实验测量所得到的K系数曲线的变化规律与计算所得到的基本吻合。
5 结论
本文采用CFD方法,以各声路的K系数及其标准差值为依据,研究了超声波反射装置对超声波流量计过流通道内水流特性的影响。可以得出以下结论:
1)对于不同的间隙、不同轴距和不同通道结构的反射片,在距离反射片中心轴线D/14~3D/28(第2~3条声路)的范围内K系数*稳定,因此*优声路应选择在这个范围内;
2)超声波反射片与过流通道管壁之间的间隙值越小,反射片之间各声路的K系数差异越小;增大反射片之间的距离能够削弱入口反射片对流体的扰动,使反射片之间流体的流动相对稳定;
3)在入口反射片和出口反射片之间采用渐缩通道能够起到很好的整流作用,使反射片之间各声路的K系数值差异减小;
4)给出了采用*优声路下不同流量点的K系数的变化曲线,在0.3m3/h的流量点以后基本不变。与实验结果基本吻合,为超声波流量计的流量修正提供的理论基础。
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