结构参数对时差法超声波流量计性能的影响研究

邝卫华，黄家强，潘旭枫，陈彪彪

(1.广州番禺职业技术学院机械与电子系，广东广州511483;2.广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006)

超声波流量计是通过检测流体流动对超声波束(或超声波脉冲)的作用以测量流量的仪表［1］，具有非接触测量、测量范围宽、安装简便、使用方便、特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被广泛应用于供水、石油、化工、电力等部门。近几年来，随着硬件和数字信号处理技术的改进，使流量的测量精度有了很大提高［2－3］。

时差法超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成［4］。图1为测量原理图，两侧超声波换能器相继完成超声波的发射和接收工作。超声波换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中;接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算，从而实现流量的检测和显示。

图1 超声波流量计测量原理图

1 超声波流量计水流特性分析

超声波发射与接收的精度跟流体流动状态有关，为了深入研究流量计管道内流场的分布规律，拟采用Fluent软件对测量管道进行三维水流特性分析。流量计三维模型采用UG软件构建，然后将模型内表面导入Gambit软件进行网格划分，最后借助Fluent软件实现流体流动的数值模拟。

Fluent软件模拟边界条件类型取Velocity-inlet方式，其流量Velocity Magnitude取1.5 m/s，出口Outlet为自由出流，区域Wall取默认边界。

图2为流量计管道内部流线图。为了准确描述各部分流场的分布规律，将流量计分成5个区域，如图2所示。

图2 y=0截面管道内部流线图

图中区域①为流体入口斜管段，该区流速分布均匀，速度梯度变化小，说明该段液体流动平稳;且该段不在超声波测量路径上，因此该段的流体流动状态对超声波发射和接收不会产生直接影响;但该段中心线与水平管道中心线的夹角θ对水平管道的流场有较大影响，不同的角度将直接影响超声波发射和接收的测量精度。

图中区域②为左侧换能器的前段管段，由图2可以看出:该区产生了漩涡，并且漩涡正好位于超声波传输路径上，对超声波的发射和接收产生较大影响，进而影响测量精度。漩涡的范围越大、速度越快，对测量结果影响越显著。产生漩涡的原因在于区域②三面都是固壁，受黏性影响流速为零;另一面受入口流体的冲击带动而产生环向分流，最终形成漩涡。由上述分析可知，区域②的漩涡是无法消除的，但可以通过优化区域②长度来减少漩涡的范围和强度。

区域③位于水平直流管段，该段水平截面以上部分流速较小，速度等值线分布较密;水平截面以下部分流速较大，流速变化梯度相对较小。这说明流体主要沿管道中下部穿过，上部流速小。

区域④位于右侧换能器附近，该区流动状况与区域②相似，不同在于两区漩涡的流动方向、强度存在差异。漩涡范围、流速大小对超声波信号的接收与发射有较大影响。

区域⑤位于流体出口斜管段，该区流场分布平稳，速度梯度变化小，说明该段液体流动平稳;且该段不在超声波测量路径上，因此该段的流体流动状态对超声波发射和接收不会产生直接影响;但夹角θ的变化，会引起区域③、区域④流场有较大改变，因此该结构参数对测量有较大的影响。

2 结构参数对水流特性的影响

由上述研究可以看出，此类结构流量计在超声波传输路径上不可避免会出现漩涡及二次流，漩涡的范围、强度是影响超声波流量计测量精度的一个关键性因素。若管道内的漩涡数量越多，范围越大，速度越快，则测量的精确度就越低;此外，管道内流体速度梯度分布也是影响测量精度的一个重要因素，管道内流体的速度梯度分布越集中，说明流体流动越平稳，超声波所搭载的流体流速信息也就越准确。

为了分析不同结构参数对管道水流特性的影响规律，采用表1所示参数对流量计进行了多次数值模拟。Fluent软件模拟边界条件类型取Velocity-inlet方式，其流量Velocity Magnitude取1.5 m/s，出口Outlet为自由出流，区域Wall取默认边界。

表1 模拟参数

2.1 流体流入角θ

图3为不同角度θ作用下管道内部流速等值线图。可以看出，换能器附近漩涡区 (区域②、区域④，参见图2所示区域划分)流速随着流入角的增大而呈增大的趋势。这是因为随着流入角的增大，流体在流速方向上投影越大，产生的动能越大，从而带动漩涡区流体以更快的速度旋转。换能器附近涡流范围越广，流速越大，越不利于测量精度的提高，因此在结构合理的情况下，选择较小的流体流入角是有利于测量的。

图3 不同流入角作用下管道内部流场等值线分布

由图3还可以看出:随着流入角度的增大，水平直流区 (区域③)流体等值线分布变得更为密集，说明该区段流速的速度梯度变化大，流体流动不稳定，这是不利于测量的。而且随着流入角度的增大，水平直流区 (区域③)的流体会以管道中心线所在水平截面为界出现两个明显不相同的流动区域 (如图3(d)所示)，严重降低超声波流量计的测量精度。因此，在结构合理的情况下，应选择较小的流入角度。

2.2 管道长度L与L1

图4为不同管道长度L1作用下管道内部流速等值线分布图，它从侧面反映了L1与L的比例对流场的影响规律。

图4 不同管道长度作用下管道内部流场等值线分布

可以看出:随着L1的增大，漩涡范围 (区域②、区域④)明显减少，这对提高超声波发射和接收的精度是非常有利的;此外，随着L1的增大，水平段区域③的速度等值线分布越显均匀，说明流场更为稳定，这对提高超声波测量精度是有利的。因此，在结构合理的情况下，应适当增大L1，增大L1/L的比值，从而增大超声波传输测量的距离。

2.3 管道直径D

图5为不同管道直径作用下管道内部流场速度等值线分布图。

图5 不同管径作用下管道内部流场等值线分布

可以看出:随着管径的增大，水平段流场分布更为均匀;此外，随着直径的增大，换能器附近的漩涡范围 (区域②、区域④)也明显缩小，说明超声波的发射和接收将更为精确，这些都有利于测量精度的提高。因此，适当增大流量计管径有利于提高测量精度，但管径的增大需综合考虑D与管道长度L及L1的相对比例，以达到最优的内部流场分布形态。

3 结论

采用数值模拟的方法，研究了不同结构参数对超声波流量计过流通道水流特性的影响规律，可以得出如下结论:

(1)换能器附近有漩涡，且漩涡正好位于超声波传输路径上，对超声波的发射和接收有较大影响;水平管道流场分布不均，下部流速大，且速度梯度小;夹角θ对管道内部流场影响明显。

(2)较小的流入角度θ，有利于改善换能器附近漩涡的范围及强度，改善水平管道内部的流场分布;适当增大L1/L的比值，可有效增大超声波传输测量距离，提高测量精度;适当增大管径D有利于改善管道内部流场，但需综合考虑D与管道长度L及L1的相对比例，以达到最优的内部流场。

【1】吴志敏，苏满红，叶玮渊，等．时差法超声波流量计流速修正系数的数值模拟［J］．工业计量，2008，18(4):1－4．

【2】丁凤林，李宗良，魏延明，等．小管径高精度超声波流量计设计［J］．空间控制技术与应用，2011，37(1):28－32．

【3】刘永辉，杜广生，陶莉莉，等．反射装置对超声波流量计水流特性影响的研究［J］．仪器仪表学报，2011，32(5):1183－1188．

【4】阎明．高精度微功耗时差法超声波流量计的设计［D］．大连:大连理工大学，2007:1－5．

【5】赵澜，张涤，冯焱，等．新高精度气体微流量计工作用容积的测量［J］．机床与液压，2011，39(11):85 －87．

【6】姜万录，孙红梅，高明．基于超声检测的动态流量测试技术研究［J］．机床与液压，2004(10):227－229．

【7】龚姚腾，肖顺根，宋萌萌．机电液一体化的流量控制系统建模与仿真［J］．机床与液压，2008，36(11):73 －75．

【8】王洁，陈先惠．瞬态流量计的研究［J］．机床与液压，2004(1):124－125．

【9】傅丽莹，王伟．十字星形高压动态流量计特性分析［J］．机床与液压，2008，36(8):119 －120．