超聲波反射裝置對超聲波流量計過流通道內水流特性的影響，時差式超聲波流量計是應用*普遍的超聲波流量計之一，傳統的時差式超聲波流量計過流通道多為圓形直管段,根據過流通道內超聲波反射裝置的不同,聲路的布置方式有V法、Z法、U法、W法等。聲路的不同會影響超聲波傳播距離(聲程)、超聲波反射強度、方向性等,從而影響超聲波流量計的測量精度及穩定性，其主要原因是在超聲波流量計過流通道內加裝超聲波反射裝置本身就是對流動的擾動,造成過流通道內流體流動特性復雜,對測量精度產生影 響，因此,研究超聲波反射裝置對超聲波流量計過流通道內水流特性的影響,從而提高超聲波流量計的測量精度與穩定性是十分必要的。

時差式超聲波流量計測量出的是超聲波傳播路徑上流體的線平均流速,而不是測量流量所需要的管道橫截面上的面平均流速,因此在計算流量時需要采用 K系數法進行修正[4-6]。K系數定義式為超聲波傳播路徑上的流體線平均流速v與管道橫截面上的流體面平均流速u的比值。超聲波流量計加裝超聲波反射裝 置后,應盡量使超聲波聲路上的K系數受影響較小,能夠較穩定的保持在某一值附近。研究以K系數標準差[7]作為衡量不同超聲波反射裝置優劣的主要依據,研 究了反射片與管壁的間隙、反射片軸向距離以及漸縮通道對K系數的影響,并給出了相關規律。

2 超聲波反射裝置

研究所采用的超聲波反射裝置為U型反射,其工作原理如圖1所示,發射換能器發出的超聲波經兩個超聲波反射片反射后,被接收換能器接收,完成一次 測量。超聲波反射片在中心軸線上的距離為L,與中心軸線的夾角為45°,由表面光滑的金屬合金制成,對超聲波具有很強的反射作用。超聲波傳播路徑如圖中虛 線所示。實際工作中,超聲波反射片是以一定的方式固定在過流通道內的。

根據實際應用的超聲波反射裝置的安裝情況,本文主要從以下幾個方面研究其對過流通道內水流特性的影響:

1)反射片與管壁的間隙對K系數的影響

采用4支臂反射片,支臂均布,反射片在中心軸距上的距離L=40D/14(D為過流通道直徑),其結構如圖2所示,反射片在流速方向上的投影如 圖3所示,其中d=9D/14。反射片支臂外沿(圖3中虛線所示)在過流通道的壁面上。取間隙分別為3D/28、4D/28、5D/28、6D/28、 7D/28,研究反射片與過流通道管壁之間的間隙變化時通道內的水流特性。

2)反射片軸向距離對K系數的影響

使用1)中反射片的模型,d的尺寸為9D/14不變,只改變反射片在中心軸線上的距離L,分別取值為35D/14、40D/14、45D/14、50D/14,研究反射片的距離改變時流道內的水流特性。

3)漸縮通道對K系數的影響

選取1)中的反射片模型,d和L的值都不變,改變反射片之間流道的形狀,采用過流面積減小的流道形狀,如圖4所示,研究此時流道內的水流特性。

3 數值模擬計算

3.1 計算模型

研究采用商業軟件FLUENT對安裝了不同超聲波反射裝置的過流通道進行數值模擬,計算采用標準k-ε模型[8-10]。

對于可壓縮流體才考慮浮力產生的紊流動能Gb及其相關系數C3ε。當流體為不可壓,且不考慮用戶自定義的源項 時,Gb=0,YM=0,Sk=0,Sε=0。方程組中所引入的常系數C1ε、C2ε、Cμ及σK,σε的值分別 為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

3.2 網格處理

進口直管段和出口直管段都為規則的圓管,劃分網格時采用結構網格,網格尺寸為1;基表直管段內部有反射片,不易采用結構網格,故采用非結構網 格,由于基表內的水流特性為課題研究重點,應該采用較細的網格以得到更加**的流場,所以網格尺寸為0. 8,按照上述網格劃分方法得到的網格數為一百萬左右,并且網格質量較好,滿足計算要求。流動區域的直管段網格、反射片處的網格情況如圖5所示。

3.3 邊界設置

超聲波流量計基表的過流通道長40D/7,通道入口前取10D長度的直管段,通道出口后取5D長度的直管段[11],采用速度入口,取流量為2. 5 m3/h時,入口速度為1.57 m/s,出口為自由出流[9-10]。

3.4 計算方法驗證

為了驗證數值計算方法的正確性,采用以上設置模擬了圓管內湍流流動狀態時截面速度分布,結果如圖6所示,與已經由Westerweel的實驗[12-15]測得的圓管內湍流速度曲線基本是一致的,說明本文研究所采用的數值計算方法是正確的。

3.5 K系數計算

根據連續性方程,流通道內各個橫截面的面平均速度是相同的,研究中取過流通道內中心截面的平均速度為面平均速度。以反射裝置中心軸線為基準,水 平依次向外間隔D/28的距離等分來取不同的聲路,分別記為line0、line1、line2、line3、…,對應的K系數依次編號為0、1、2、 3、…,這一系列聲路上的線平均速度由數值模擬計算獲得,進而可以計算出不同聲路上的K系數值,通過比較每種超聲波反射裝置K系數的標準差值,獲得超聲波 反射裝置對過流通道內水流特性的影響。

4 計算結果及分析

4.1 反射片與過流通道內壁的間隙對水流特性的影響

圖7為超聲波反射片與過流通道管壁之間的間隙由3D/28變化7D/28到時,各聲路的K系數值,不同間隙的K值標準差如圖8所示。

由圖7可知,反射片與流動壁面的間隙不同時,各個聲路的K值大小不同,但是變化規律基本一致。其K系數曲線在第2條聲路附近相交,即在第2條聲路(即距離中心軸線2D/28處的聲路)附近K值*穩定,不會隨間隙的改變而發生劇烈變化。

由圖8中不同間隙時的K系數標準差變化規律曲線可知,反射片與過流通道壁面間隙越大K系數的標準差值越小,即此時反射片上從中心軸線到外沿的聲路之 間K系數值波動較小,此時的反射片結構較優。這是因為當反射片與過流通道壁面的間隙越大時,反射片的直徑就越小,反射片對通道內流體的擾動作用就越小,流 體流過入口反射片時速度分布相對平穩,從而使各條聲路上的線速度波動減小。當間隙為7D/28時,圖9中等速線數值分別為2. 27 m/s、2. 06 m/s、1. 86 m/s、1. 73 m/s、1.68 m/s,間隙為3D/28時等速線數值分別為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,可以看出間隙為7D/28時反射片之間的等速線分布更為稀疏,速度梯度變化較小。

4.2 反射片之間的距離對水流特性的影響

模擬計算了超聲波反射片在中心軸線的距離L分別取值為35D/14、40D/14、45D/14、50D/14時K系數的分布規律及標準差值,結果如圖10、圖11所示。

由結果可以看出,當反射片在中心軸線上的距離L改變時,各條聲路上K系數的分布規律基本相同。對于不同軸距的反射片,其K系數曲線在第2條聲路(即距離中心軸線2D/28處的聲路)附近相差*小,不會隨反射片軸距的改變而發生劇烈變化。

當反射片的軸向距離由小到大變化時,K系數的標準差值是減小的,這表明選取較大的L值可以減小各條聲路間K系數值的波動。這是因為流體流過入口 處的反射片時,由于反射片對其的擾動會產生漩渦,漩渦需要一定的距離才能消除,增大L的值可以有效消除反射片的擾動產生的漩渦,使兩個反射片之間流體流動 相對穩定。從*大軸距的等速線如圖12(a)所示,*大速度(圖中數字1所示的等速線)和*小速度(圖中數字6所示的等速線)分別為2.45m/s、 1.78m/s,*小軸距的等速線如圖12(b)所示,*大速度和*小速度分別為2.45 m/s、1.78m/s,可以看出,當軸距為50D/14時比軸距為35D/14時的反射片之間的等速線分布相對稀疏,速度梯度較小。

4.3 過流通道截面積減小對其水流特性的影響

根據以上研究,采用與壁面間隙為D/4,軸距L=25D/7的反射片,過流通道結構不變,此種結構記為M1;在M1的基礎上,在距離過流通道中 心截面為15D/14處采用45°倒角過度到內徑為5D/7的過流通道,記為M2,通道結如圖4所示。計算的結果與上面研究得到的兩項*優結果(即只采用 D/4間隙和只采用25D/7的軸向距離,分別記為M3、M4)比較,4種結構的反射裝置K系數分布的及K系數標準差值如圖13、14所示。

由以上結果可以看出,在第2、3條聲路(距離中心軸線D/14、3D/28)附近,不同通道結構和不同尺寸的反射片K系數曲線相差較小,即此處 K系數隨反射通道結構的變化波動較小。通過減小過流通道的截面積,即采用漸縮通道,可以明顯地使反射片之間各條聲路的K系數值波動減小,標準差值降低。這 是因為采用漸縮通道后,由于過流面積的減小,流線變得密集,流體微團之間的剪切力增大,使得流體流動更加穩定,所以漸縮通道對流體流動起很好的整流作用。 同樣,通過等速線圖可以看出,采用漸縮通道時(M2,如圖15所示)比不采用漸縮通道時(M4,圖12(a)所示)超聲波流量計內兩反射片之間的等速線分 布更為平緩,速度梯度更小。

4.4 采用*優聲路K系數隨流量的變化曲線

采用上述分析的結果,選取*優聲路,即M2方案計算K系數得到不同流量點下的K系數分布如圖16所示。圖中還給出了采用U型反射體超聲波流量計實驗測量所得到的K系數曲線變化規律,其中*小流量點0.01m3/h由于實驗臺精度問題不能給出。

可以看出,在流量大于0. 3 m3/h后,K系數基本趨于直線。實驗測量所得到的K系數曲線的變化規律與計算所得到的基本吻合。

5 結論

本文采用CFD方法,以各聲路的K系數及其標準差值為依據,研究了超聲波反射裝置對超聲波流量計過流通道內水流特性的影響?？梢缘贸鲆韵陆Y論:

1)對于不同的間隙、不同軸距和不同通道結構的反射片,在距離反射片中心軸線D/14~3D/28(第2~3條聲路)的范圍內K系數*穩定,因此*優聲路應選擇在這個范圍內;

2)超聲波反射片與過流通道管壁之間的間隙值越小,反射片之間各聲路的K系數差異越小;增大反射片之間的距離能夠削弱入口反射片對流體的擾動,使反射片之間流體的流動相對穩定;

3)在入口反射片和出口反射片之間采用漸縮通道能夠起到很好的整流作用,使反射片之間各聲路的K系數值差異減小;

4)給出了采用*優聲路下不同流量點的K系數的變化曲線,在0.3m3/h的流量點以后基本不變。與實驗結果基本吻合,為超聲波流量計的流量修正提供的理論基礎。