超声波热量表内水流特性的数值模拟及研究

摘要

随着我国供热体制的全面改革，按热计量收费方式被广泛推行，这促使热量表行业得到迅速发展。超声波热量表以其独特的优势，占据着相当一部分的市场份额。但由于我国现有的超声波热量表技术水平有限，与国外同类产品还存有一定的差距，因此迫切需要对超声波热量表进行深入研究。CFD技术在工程流体领域方面广受应用，如何将数值模拟方法融入到超声波热量表基表内的水流特性分析中，对超声波热量表的设计和生产具有一定的指导意义。
　　本文首先论述CFD技术的基本原理及工作过程，介绍常用的CFD商用软件，分析数值模拟方法及建模过程，对自行设计的一款超声波热量表基表进行数值模拟，通过流场图谱探讨基表内复杂的水体流动状态。其次，以此为基础建立水流特性影响因素模拟试验，分别对反射装置直径(d)、超声波换能器露出高度(H)、缩管直径(D)及两反射装置在中心轴线上的距离（L）等因素进行参数改变时，通过模拟所得的K系数分布规律及K系数标准差的情况，研究各因素对基表内水流特性的影响。反射装置直径适当减小能改善流场品质，但尺寸过小又不利于超声波信号的反射传输。超声波换能器露出高度较小时在入口反射装置反射面处会形成较大的漩涡范围，而较大则于出口反射装置顶端出现同样的影响状况。适当缩小缩管直径对流场有整流作用，过小则出口反射装置顶端的漩涡范围增大，同时也不利于超声波信号的完整传输。增大反射装置轴向距离，可有效消除因反射装置扰动而产生的漩涡，但其选取状况受生产成本及其他影响因素所制约。综合所得，d=14mm、H=12.4mm、D=14mm和L=84mm为各影响因素的较优值。
　　基于上述的研究，初步拟定一款较优产品进行试生产，并与现有主流产品进行数值模拟比对。同时建立检定实验平台，进行实际综合性能分析，验证其准确性。通过模拟和实验结果，表明所选较优产品测量精度较高，适用于后续进一步优化研究。在其基础上，本文最后通过改变基表缩管的形状尺寸和采用复合结构，对内管超声波信号的传输规律情况进行深入探究。结果显示，大缩管直径、缩管中加入内螺纹和采用复合结构，都有利于提高测量精度。
　　本课题针对超声波热量表改变超声波反射装置及过流通道结构后基表内水流特性的研究工作，在一定程度上为超声波热量表的设计及改善测量精度提供了相关的理论依据和指导，并弥补了国内在该领域的空缺，具有一定的创新性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外热量表的发展及研究现状

1．3 超声波热量表的分类及测量原理

1．4 课题研究内容及方法

第二章 超声波热量表基表内部流场数值模拟理论

2．1 CFD简介

2．1．1 网格生成软件(GAMBIT)

2．1．2 数值模拟求解软件(FLUENT)

2．2 模型的建立

2．2．1 几何模型

2．2．2 边界条件设置

2．3 流动状态类型

2．3．1 层流

2．3．2 湍流

2．4 数值模拟方法

2．4．1 直接数值模拟法(DNS)

2．4．2 大涡模拟法(LES)

2．4．3 雷诺时均法(RANS)

2．5 计算初始化

2．6 收敛性分析

2．7 本章小结

第三章 超声波热量表基表内水流特性影响的数值研究

3．1 CFD模型建立

3．2 CFD模拟结果及分析

3．3 本章小结

第四章 基表内水流特性影响因素分析

4．1 K系数

4．2 反射装置直径对基表内水流特性的影响

4．3 超声波换能器露出高度对基表内水流特性的影响

4．4 缩管直径对基表内水流特性的影响

4．5 反射装置轴向距离对基表内水流特性的影响

4．6 本章小结

第五章 超声波反射装置和基表过流通道结构的优化

5．1 优化方案选定

5．2 数值模拟结果及分析

5．2．1 速度等值线图比对

5．2．2 速度矢量图比对

5．2．3 K系数比对

5．3 实验验证

5．4 本章小结

第六章 基表内管工艺结构对超声波信号传输规律的优化研究

6．1 缩管直径对测量精度的影响

6．2 缩管内加入内螺纹后对测量精度的影响

6．3 复合结构缩管对测量精度的影响

6．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢