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最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流量计反射装置为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最最的流场,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 |
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