超声流量计探头安装位置对测量影响数值仿真研究

图4 计算域网格剖分图

2 仿真结果分析

以下将对超声探头全伸和全缩两个典型位置的流场及其测量特性进行分析，在此之前先对DN50018声道各声道的命名进行规定，如图5所示，流体沿x轴正方向流动。

图5 18声道命名规定

2.1 探头全伸仿真结果

由于超声流量计上游及下游均为直管段，且没有阻流件影响，因此管道内部流场应为轴对称分布。以下仅给出了v=1.004m/s时最短声道1和最长声道5上轴向速度分布图和声道截面上轴向速度等值线图，来说明探头全伸对流场造成的影响。

由图6分析，探头伸入管道内部会在探头下游产生回流（图6）。对于上游侧的探头来说，回流正好位于声道上，因此呈现出负速度；而对于下游侧的探头，虽然也有回流存在，但却不在声道上，因此不会影响声道上的速度分布。整体来看，探头伸入管道造成了声道上速度分布的严重不对称（图7）。声道1和声道5对流场的影响趋势相同，但声道5探头伸入管道内的长度相对较短，因此对速度分布造成的影响没有声道1明显（图7b）。需要特别指出，声道1靠近下游侧的速度分布有一凹陷处（图7a），这是由于声道1和声道10探头距离较近，声道1下游侧正好位于声道1上游探头的尾迹区域，造成了两探头之间的相互影响。

图6 声道截面轴向速度等值线图

图7 沿声道轴向速度分布

由表1的初步仿真结论已表明，探头全伸会对流量测量产生负误差，而且随着流速增大，误差有增大的趋势。以下将针对这一现象进行分析，除表1给出的三个流速外，又进行了6m/s和8m/s两个流速点的仿真，各声道上平均速度的归一化速度分布如图8所示。图8中，5Dup表示超声流量计上游5D位置，同样采用18声道布置形式且不考虑探头影响时的情况，将其积分流量作为流量标准值来进行讨论。

图8 探头全伸时18声道平均速度归一化比较

由图8可以清晰地看到，相对于5Dup18声道的速度廓形（标准值），各流速点情况的速度廓形几乎都低于标准值，只有v=0.307m/s时靠近管道中心的几个声道（声道4、5、6、13、14、15）略高于标准值。从这个角度分析，各流速点18声道积分得到的流量值势必小于5Dup18声道积分流量值，造成测量误差均为负值。进一步分析，随着流速逐渐增大，速度廓形趋于平缓，即靠近管道中心的几个声道平均速度逐渐减小，且廓形有重合的趋势。当v=6m/s、v=8m/s时，测量误差增大的趋势逐渐减小且趋于稳定（表2）。用湍流速度分布理论可以解释这一结果：Re越大，管内速度分布越趋于平缓，且变化越小。因此可以推论，对于探头全伸情况，当流速大到一定程度，测量误差将不随来流速度变化而变化，趋于稳定。

表2 流速增大时的仿真结果

2.2 探头全缩仿真结果

与前述研究方法类似，以下仅给出v=0.994m/s时最短声道1和最长声道5上轴向速度分布图和声道截面上轴向速度等值线图，来说明探头全缩对流场造成的影响。

由图9可知，流体在流经探头位置时，由于在管壁内侧有一凹槽，流体在声道两端均会产生回流，出现负速度，使得沿声道速度分布基本对称（图10）。此外，凹槽内的流速相对较小，随着探头缩入管道内壁的长度逐渐减小，凹槽区逐渐减小，相应低流速区域也逐渐减小（图10）。

图9 声道截面轴向速度等值线图

图10 沿声道轴向速度分布

虽然探头全缩时对流场的影响与探头全伸时截然不同，但最终都会使各声道上产生负速度，进而使积分流量值偏小。表3给出了探头全缩情况时5个流速点的仿真结果。

表3 探头全缩仿真结果

可以看出，探头全缩时的测量误差仍为负值，与全伸情况类似。但此位置的误差明显比全伸时大了许多（表2）。将归一化的各流速点18声道平均速度仍与5Dup18声道进行比较（图11）。

图11 探头全缩时18声道平均速度归一化比较

由图11可知，无论哪个流速下，各声道平均速度值均低于5Dup标准值，这是由于管壁凹槽区的存在使得声道上低流速区域扩大，造成各声道上的平均流速比标准值偏低，进而使得18声道积分结果误差为负，且比探头全伸情况负得更多。此外，各流速下的速度廓形之间比较，几条曲线基本重合，几乎不随来流速度变化而有大的波动，因此与全伸情况相比，全缩时的测量误差对来流速度不敏感，从表3也可反映。

3 结论

通过对超声探头两个典型位置——全伸和全缩的数值仿真研究，得到以下结论。

（1）利用数值仿真进行超声探头对测量影响的研究，该方法是可行且有效的，本文提出了模型建立方法。

（2）探头全伸和全缩时都会造成流量测量的负误差，沿各声道均会产生负速度，但由于二者产生机理不同造成负速度出现的位置也不同。探头全伸时，由于声道一端位于探头下游尾迹区，回流产生负速度，而另一端不受影响，因此速度始终为正；探头全缩时，由于管壁有凹槽，使得凹槽区内的流速均较低，且声道两端均会产生回流，造成负速度。

（3）探头安装位置对流量测量的影响不可忽视。两个安装位置相比，探头全伸比全缩测量效果更好，因此推荐超声流量计采用探头插入管道这种安装方式来进行流量测量。(end)