探头扰流对多声道超声波流量计测量结果影响研究_任大呈.pdf

2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2收稿日期:20220908探头扰流对多声道超声波流量计测量结果影响研究任大呈1，魏华彤2，刘岩3，王枫宁2，白天1，郭林2，刘莉2(1北京航天计量测试技术研究所，北京100076;2中国核电工程有限公司，北京100840;3阿米检测技术有限公司，江苏苏州215133)摘要:为了研究探头扰流对高精度多声道超声流量计测量结果影响的机理，基于计算流体力学数值仿真技术对超声波流量计内部三维流场进行仿真，并对探头附近流场进行分析。提出了一种用 8 个面的平均速度替代声道位置平均速度的数据提取方法，适用于扰流对测量结果影响的定量分析。对比未带扰流和带有扰流的仿真模型，结果表明:探头处的扰流对积分结果带来的最大误差为 060%。用 K系数修正消除系统误差后，得到因探头扰流引起的最大积分误差为 016%。关键词:超声波流量计;多声道;扰流;计算流体力学;仿真;高精度中图分类号:TB937文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02011005Influence of Probe Turbulence on Measurement esultsof Multi-channel Ultrasonic FlowmeterEN Da-cheng1，WEI Hua-tong2，LIU Yan3，WANG Feng-ning2，BAI Tian1，GUO Lin2，LIU Li2(1Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076，China;2China Nuclear Power Engineering Company Limited，Beijing 100840，China;3Am Incorporation for Metrology and Testing Technology Services，Suzhou 215133，China)Abstract:In order to study the mechanism of the influence of probe turbulence on the measurement results of high-precisionmulti-channel ultrasonic flowmeter，the three-dimensional flow field inside the ultrasonic flowmeter was simulated based on com-putational fluid dynamics numerical simulation technology，and the flow field near the probe was analyzedA data extraction meth-od was proposed，in which the average velocity of eight planes was used to replace the average velocity on the channel position，which was suitable for the quantitative analysis of the influence of turbulence on the measurement resultsComparing the simula-tion models with and without turbulence，the results show that the maximum error of the turbulence at the probe to the integrationresult is 060%When the system error is eliminated by K coefficient correction，the maximum integral error caused by probe tur-bulence is 016%Keywords:ultrasonic flowmeter;multi-channel;turbulence;computational fluid dynamics;simulation;high-precision0引言近年来，超声波流量计发展迅速，因其具有非接触式测量、无额外压力损失、不受管道直径限制等优势，被广泛用于水利、电力、石油和化工等领域1。超声波流量计按照通道数量多少，可分为单声道、两声道和多声道的超声波流量计。与单声道、两声道超声波流量计比较，多声道超声波流量计对流态分布变化的适应能力更强、测量准确度也更高，适用于大孔径管道，以及流态分布复杂的管道2，因此多声道超声波流量计的应用场景更普遍。多声道超声流量计探头分为侵入型和非侵入型。因为非侵入型探头所产生的信号在二次穿入管壁后非常微小，信噪比很低，而且对于不在管轴线平面上的超声波传播必须考虑金属管管壁的折射问题，从而影响探头的正确接收。故目前使用的多声道超声流量计探头主要为侵入型。然而，多声道超声流量计换能器探头的安装会对积分计算结果带来不利影响。很多学者研究换能器探头对超声波流量计性能的影响。张朋勇等3 用数值仿真的方法，分析口径为DN500 的超声波流量计在探头全伸安装时的流场，研究安装方式对超声流量计测量性能的影响。结果表明，由于探头深入管道而造成的测量误差较大，并且随着入口速度增大，测量误差逐渐增大。张亮等4 研究了斜插式超声波流量计探头插入深度对测量误差的影响，得到了凸起、相切和凹入3 种探头安装位置的测量误差，分析了其来源，并进行了修正。赵文等5 第 2 期任大呈等:探头扰流对多声道超声波流量计测量结果影响研究111研究了超声波流量计探头大小及其结构设计引起的扰流效应，计算出实流校准的修正系数，并使用流声耦合仿真对探头扰流影响进行分析。enaldas6 对探头空腔内的流动做出了研究，认为凹槽处扭曲的流场破坏了速度分布的对称性。郑丹丹等7 研究了探头对流量测量的影响，利用计算流体力学数值仿真对探头全缩和全伸安装进行分析，最终获得探头安装位置产生的测量误差，得出探头最佳安装位置。胡岳等8 研究了侵入型探头对流场产生的扰动，根据扰动分析结果提出简化模型，最后给出探头扰动误差估算方法。综上所述，通过计算流体力学数值仿真来研究探头对流量测量的影响是一种常用的方法，并且多数学者研究探头安装的形式对测量结果的影响。然而，前期研究成果不能支撑高精度超声波流量计研究工作。本文基于计算流体力学数值仿真研究探头扰流对高精度多声道超声波流量计积分结果的影响。并且在探头所在位置对不同角度平面上的数据进行提取，通过计算对比得到比较科学的数据提取方式。通过计算不带扰流和带有扰流 2 种模型的积分结果，得出扰流对高精度多声道超声波流量计带来系统误差和对系统误差进行修正后的最大误差。1多声道超声波流量计工作原理多声道超声波流量计结构原理示意图如图 1 所示，工程上计算管道内流量时可用式(1)计算。图 1多声道超声波流量计结构原理示意图Q=Ni=0ivilisini(1)式中:为管道半径，m;i为声道上的权重系数;vi为声道上的线平均速度，m/s;Li为声程，m;i为声道角。在测量过程中，这些参数中任何一个计量不准确都会产生较大的测量误差。本文以双侧八声道超声波流量计为研究对象，样机声道高度为高斯雅克比积分方法所规定的声道高度，权重则为高斯雅克比积分方法所规定的权重，声道角为 45。此时影响流量计算精度的只有声道速度 vi。因此，只需得出探头安装后的声道速度即可得出探头安装后的积分计算结果。2探头安装对流场影响的仿真模拟21多声道超声波流量计的结构多声道超声波流量计外形示意图如图 2 所示，其探头安装位置示意图如图 3 所示。图 2双侧八声道超声流量计外形示意图图 3双侧八声道超声流量计探头安装位置示意图由图3 可见，探头表面未与管道内壁平齐，使得装有探头的位置存在明显凹陷，且在流体流经此区域时，流体不再沿壁面有序流动，在凹陷处存在明显的漩涡，如图 4 和图 5 所示。在探头处可明显看出低流速区和涡流区，这种现象可以称作探头安装引起的扰流。扰流的存在会影响传感器的测量结果，由于旋涡的存在，使得流场稳定性变差，明显有别于充分发展的湍流流动状态，对声道位置的平均流速的计算结果会产生一定的影响。图 4无探头区域流体速度矢量图22仿真模型根据实际超声波流量计的关键几何参数，分别建立带扰流的仿真模型和不带扰流的仿真模型，考虑到网格数量以及计算机的运行能力，取各模型的 1/4 进行仿真。其余 3/4 的数据在后期处理时通过镜像得到。仿真模型如图 6 和图 7 所示。23网格划分在进行网格划分时，对带扰流的仿真模型，需要112Instrument Technique and SensorFeb2023图 5有探头区域流体速度矢量图图 6带扰流的仿真模型图 7不带扰流的仿真模型监测探头之间的数据，所以探头之间的网格需要画的比较精密，网格大小依次扩散增大。对于不带扰流的仿真模型，只需关注流体达到充分发展位置的速度分布，所以靠近出口处网格最小，网格大小呈阶梯形变化，出口处网格大小为 18，入口处网格大小为 78。由于管壁处速度梯度大，因此对壁面附近网格进行局部加密处理。使用边界层网格，按照 First ow(第 1层网格尺寸)、Growth Factor(尺寸增长因子)、ows(层数)分别为 08、105、20 进行设置。总网格数为580 万，管壁粗糙度设置为0003 75。3扰流引起的漩涡对积分结果的影响研究31超声波传播特性超声波传播过程如图 8 所示。超声波属于机械波，其频率高于一般声波，在水中传播时波长较短，远小于探头的直径。在均匀介质中沿直线传播，在超声波流量计中，声场分布在直径较小的圆柱内。对不带扰流的仿真模型进行分析计算时，由于流场分布均匀，可以选取声道中心位置的一条线段代替超声波传播路径。对带扰流的仿真模型进行分析计算时，由于扰流引起的旋涡存在，流场相对复杂，声道中心线上的速度分布不能包含整个声道上速度信息。图 8超声波传播路径图提取声道中心线上平均速度代替声道上的平均速度的方法不再适用。因此，需要研究一种新的声道速度提取方法。32声道位置平均速度计算方法声场分布在直径较小的圆柱内，提取声道速度需要提取一个小圆柱的速度数据。为研究扰流引起的旋涡的细节，分析不同数据处理方法的准确度，本文分别采用单个面的平均速度、多个面的平均速度替代声道位置平均速度的数据处理方法。321单个面的平均速度替代声道位置平均速度过探头中心线创建矩形面，如图9 所示，求取面上平均速度作为声道位置平均速度。为方便数据处理，在矩形面上建立平行且间隔相等的线，先求线平均速度，再求面平均速度。探头直径为 40 mm 左右，所创建矩形面的宽度为 10 mm，每条线之间的间隔为1 mm。图 9探头中心的一个矩形面选取示意图322多个面的平均速度替代声道位置平均速度考虑到流场的不对称性，需要选圆柱内的多个面上计算结果取平均。分别建立了 0、30、45、60、90、120、135、150 8 个平面。平面选取位置如图 10所示。33数据处理过程为确定最好的数据处理方法，分别对 1 条线(中心线)、2 个面(0 和 90)、4 个面(0、45、90 和135)、6 个面(0、30、45、90、135和 150)和 8 个面的平均速度进行计算，并且计算相应的积分误差。3311 条线(中心线)上的平均速度在声道中心位置建立 1 条线，提取线上的速度数据，根据线平均速度计算公式(式(2)，计算出线平均第 2 期任大呈等:探头扰流对多声道超声波流量计测量结果影响研究113(a)(b)图 10多个平面选取位置示意图速度，作为声道上的线平均速度进行积分计算。vL=1LLv(r)dL(2)式中:L 为声程;v(r)为线上不同位置的速度。3321 个面上的平均速度利用线平均速度求取 1 个面上的平均速度。vA=1n(vL1+vL2+vLn)(3)式中 n 为面上建立线的数量。333多个面上的平均速度多个面上的平均速度表示为v=1j(vA1+vA2+vAj)(4)式中 j 为面的个数。34数据处理结果以理想安装状态时常用流量点2 146 t/h 为例，分别利用以上方法进行计算，计算结果如表 1。表 1理想安装状态流量为2 146 t/h 时不同数据处理方法计算结果平均速度计算方式v1/(ms1)v2/(ms1)误差/%中心线5607 235971 5402212 个面5601 745969 6801724 个面5603 385969 50101786 个面5603 615969 56601798 个面5603 325969 4910177由表 1 可知，只提取一条线上的数据时计算误差最大。提取多个面上的数据时计算误差相近。考虑到利用 8 个面包含的流场信息更全面更科学，后续计算过程都采用选取8 个面取平均的形式求取声道位置线平均速度。4探头安装引起的旋涡对积分结果的影响根据以上确定的取8 个面的平均速度作为声道位置线平均速度，提取各流量点下的速度信息。分别对带扰流仿真模型和不带扰流仿真模型的积分结果进行计算，计算结果如表 2 和表 3 所示。表 2不带扰流模型的计算结果流量点/(th1)Q实/(th1)Q真/(th1)误差/%2 5002 5057952 50117401852 1462 1497552 14595601771 7501 7535881 75045601791 0001 001450999737 30171625627235 1626209 10164250249367 3249018 80140125124687 4124509 40143表 3带扰流仿真模型计算结果流量点/(th1)Q实/(th1)Q真/(th1)误差/%2 5002 5070752 50000003292 1462 1588452 14600005991 7501 7594041 75000005371 0001 004120999999 90294625627888 5624999 90462250251008 6250003 90402125125620 8125000 10497由表 2 和表 3 可以看出，不带扰流的模型计算误差最大为 0185%，带扰流模型的计算误差最大为0599%。可见扰流对积分结果带来的影响非常大，使得积分结果存在系统误差。为了减小扰流对积分结果的影响，利用仪表系数 K 对带扰流的积分结果进行修正。多声道超声波流量计仪表系数 K 值可用式(5)定义。K=Q真Q实(5)式中:Q真为标准流量值;Q实为利用积分公式计算得到的流量值。修正后的计算结果为Q修=KQ实(6)对带扰流模型的计算结果进行修正处理，结果如表 4 所示。114Instrument Technique and SensorFeb2023表 4修正后带扰流模型的计算结果流量点/(th1)Q修/(th1)Q真/(th1)修正后的误差/%2 5002 4960792 50000001572 1462 1493772 14600001571 7501 7516881 75000000961 000999715 7999999 90028625625134 6624999 90022250249907 6250003 90039125125069 8125000 10056由表 4 可知，修正后的误差最大为 0157%，远小于未修正之前的误差。将不带扰流模型的计算结果、带扰流模型的计算结果以及带扰流模型修正后的计算结果进行对比，如图 11 所示。图 11不带扰流模型、带扰流模型与带扰流模型修正后的结果对比由图 11 可知，修正后的带扰流模型的计算结果，与未带扰流模型的计算更接近，并且在整个流量范围内计算误差更小。5结束语本文基于 CFD 仿真，对不带扰流和带扰流的多声道超声流量计模型进行仿真模拟，分析其内部流场，研究扰流对流量测量影响的机理，得出以下3 个结论:(1)安装有探头的多声道超声波流量计，在其探头部分流速分布不均匀形成低流速区和涡流区。这些扰流对声道速度产生很大影响，是造成多声道超声流量计测量误差的主要原因。(2)本文提出一种采用 8 个面的平均速度替代声道位置平均速度的数据处理方法，适用于扰流对测量结果的影响的定量分析。(3)通过将带扰流流场与理想流场的计算结果相比较，确定了探头扰流对积分结果产生最大为 060%的系统误差，使用仪表系数 K 对测量结果进行修正，得到因探头扰流引起的最大积分误差为 016%。参考文献:1 霍殿中大流量测量和多声路超声流量计C/全国流量测量学术交流会，2006:158166 2 曹中华超声波流量计在水平衡测试中的误差分析J 水利学与工程技术，2016(3):1921 3 张朋勇，郑丹丹，徐天室，等超声流量计探头对流场及其测量性能影响研究J 实验流体力学，2011，25(3):6065 4 张亮，孟涛，王池，等斜插式超声流量计探头插入深度影响实验研究 J 仪器仪表学报，2012，33(10):23072314 5 赵文，胡鹤鸣，樊尚春超声流量计探头扰流影响的流声耦合研究 J 测控技术，2018，37(5):8892 6 AISUTIS Investigation of the flow velocity profile in a mete-ring section of an invasive ultrasonic flowmeter J Flow Meas-urement and Instrumentation，2006，17(4):201206 7 郑丹丹，张朋勇，徐天室超声流量计探头安装位置对测量影响数值仿真研究 J 机械工程学报，2011，47(12):1318 8 胡岳，张涛，郑丹丹，等超声流量计探头安装入侵长度对测量影响的估算 J 天津大学学报2013，46(9):776784作者简介:任大呈(1985)，高级工程师，硕士，主要从事流量、压力测控技术研究。E-mail:daytime123 126com魏华彤(1987)，高级工程师，硕士，主要从事核辅系统控制设计及仪表方向的研究设计。E-mail:weihta cnpecc