化工管道结构对超声波流量计测量精度影响的研究

韩思奇

（天津中德应用技术大学 智能制造学院，天津 300350）

超声波流量计得益于计算原理简单、测量过程不与介质直接接触、在不同管径下精度较高、易于组网监控等特点，在化工领域的流体测量中越来越受到人们重视。超声波流量计是近年来仪器仪表领域的研究热点，因其测量准确、稳定性好，而且安装使用非常方便。但是，能够增加超声波流量计测量误差的因素也很多，如能够准确计算超声波在流体中的传播时间、管道内流体是否是理想状态下流动、换能器接收信号的性能以及超声波流量计的安装位置等[1]。

炼油厂中化工管路是运输原油、天然气以及其他化学品介质的主要方式。然而，由于实际工况下石油化工管道结构的差异，如90°弯管、T型管、变径管等；加上输送化学品普遍具有腐蚀性，会增加管道内壁的粗糙度，导致管道内流体流动状态像非理想流体流动变化，进而影响流量监测的精确度[2]。

计算流体力学软件（FLUENT）是当今流体力学领域使用比较广泛的商业软件，其模拟仿真结果比较贴近实际情况，因此研究采用仿真的方法可以有效节省人力物力。目前超声波流量计的声道算法大多是以理想流体流动为前提的，当管道结构等条件发生改变后容易造成流型的突变，从而影响测量准确度[3-4]。从当前研究结果分析，对于上游阻流件或管道内壁粗糙度对流体流型以及流量计测量精度的影响研究尚在起步阶段。

本研究建立了直管以及T型管两种工业常见石油化工管道模型，考察了流体速度以及管道粗糙程度对于流型的影响，以提高流量计的测量精度。

1 超声波流量计原理

流体流动方向会对超声波的传播速度造成影响，这就是基于时差法下流量计的检测原理，也是流体速度、流量监测比较有效的方式。超声波的传播方向与流体同向，则传播时间会减少；如果与流体流动方向相反则传播时间延长[5]。

2 管道模型及仿真设置

2.1 几何模型的建立

考虑到管道上游阻流件结构会造成管道内出现涡流等非对称流型，其湍动程度也会发生变化，因此，建立直管及T型管管道模型，分析流动状态的改变对于超声波流量计测量精度的影响。管道结构包括入口管道、出口管道以及上下游直管段组成，管道直径D=50 mm，超声波流量计安装检测位置为距水平入口管道20D处。

2.2 FLUENT仿真设置

利用GAMBIT软件进行管道模型的创建与网格的划分，将T型管道中垂直入口与水平入口交接处进行加密处理，整体模型网格数量50万左右。选择水作为流体介质，由于观察非理想流动下流型的变化，因此管道内流体雷诺数较高，属于湍流状态，选择RNG k-Ɛ湍流模型进行仿真计算。

为使仿真结果更加贴近实际情况数据，使模拟过程更加合理化，要对FLUENT操作变量进行设置。

（1）规定初始入口流速为0.3 m/s、1 m/s、2 m/s，对应雷诺数分别为5.0×104、1.6×105、3.3×105，使管道内流体流动形成3种明显的湍动程度。（2）改变管道粗糙度，设定粗糙高度为0 m、0.005 m、0.01 m，考察在管道光滑度不均匀情况下如何对计算方法进行修正，以提高超声波流量计的测量精度。

3 仿真结果讨论

3.1 速度场对管道内流体流型的影响

图1和图2是直管及T型管结构下管道内流体流动的速度分布云图。通过仿真分析可以看到，不论流体在直管还是T型管内流动，由于水自身具有黏度、靠近管壁处存在边界层效应，管道截面处流体流型均存在速度梯度，靠近管内壁处速度为零、远离壁面处流速相对较高，而且随着上游管道形状以及初始流速的改变，流体受到的阻力也会随之变化，导致流场分布的不均匀性。

图1 不同速度下直管内流体速度分布

图2 不同速度下T型管内流体速度分布

当流体入口速度由0.3 m/s提高至2 m/s后，管道雷诺数从5.0×104变为3.3×105，流体的湍动程度有了较大幅度的提高。对于直管，流体流速由0.3 m/s提升至1 m/s时管道内速度梯度分布比较规则，速度分布整体呈对称分布，当流速进一步提高至2 m/s后，管道内任何微小的突起（如管道间焊接处等）都会使流体流动的方向发生偏转，从而造成了速度云图的随机性及无序性；在T型管中，两股入口流体在管道交接处会有涡旋产生，此时流体受到的离心力作用很强，速度最大值等值面逐渐偏离轴心处，管道截面处会出现部分流速较低区域，而且随着管道雷诺数的提升这种速度极值面积更加明显。此时，可以采用延长下游缓冲管道长度，在工况允许条件下将超声波流量计安装位置后移至完全发展流段等方式来减少因为流型改变造成的测量误差。

3.2 管道粗糙度对于流体流型的影响

在化工厂实际生产中，管道输送的化学品会发生沉淀，使管道内壁会有不同程度的突起，也就是粗糙度有所提高，导致管道内径的减少。从图中可以发现，随着粗糙度的提高，管道截面处流体的速度梯度越来越明显，而且速度分布对称性逐渐降低。说明管道直径在流量计测量的精确度方面还是非常重要的，如果不能定期对管道进行测量和清洗，可以通过优化算法，调整超声波流量计声道系数来达到校准的目的，修正后的超声波流量计可以将管道粗糙度造成的测量误差降到最低。

4 结语

本研究采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟仿真方式，研究了流体在直管、T型管两种管道模型下流场变化对超声波流量计测量精度的影响。随着入口流速的提高，管道内流体湍动程度逐渐提高，速度等值面的非对称性和无序性增强，通过加长直管段管道长度、调整超声波流量计的测量位置可以降低由于非理想流体对于测量精度的影响；通过对管道内部不同粗糙度的模拟，发现当流速提高后不光滑的壁面会使流体流动方向发生改变，从而造成管道截面整体流型的变化，实际测量中可以针对不同管道的腐蚀程度，结合FLUENT进行超声波流量计算法的优化，调整权重系数已达到准确测量的目的。

本研究采取的模拟仿真的分析方法对于不同管道类型、不同流体介质的流动情况分析同样适用，在定性定量确定了影响超声波流量计测量精度的因素后，下一步可以搭建实验装置，探索声道位置、流量计安装角度等因素对检测结果的影响。