超声流量计非理想流场适应性研究

摘要

超声流量计凭借非接触测流、仪表造价基本与被测管道口径大小无关、精度高、量程比宽、安装方便、测试操作简单等优点，在供水行业、天然气输送等领域已开始逐渐取代传统流量测量仪表。但它也面临着与传统仪表相同的问题：对于复杂的工业测量现场，由于安装空间以及铺设管道成本等限制，流量计的安装常常无法满足所要求的前后直管段长度，因此无法达到其测量精度。造成这一问题的根本原因在于理想流场流动假设的测量模型与工业现场管道内复杂的非理想流动不匹配。为了提高超声流量计的流场适应性，本文主要完成了以下工作：
　　 (1)使用GE公司AF878超声流量计进行了实流实验，分析了其在单弯头下游不同测量位置、不同流速条件下的变化规律，结果表明：超声流量计在非理想流场中进行测量时，其测量性能会受到严重影响。
　　 (2)运用CFD仿真方法，建立了与实流实验条件相同的三维仿真模型，分析了超声流量计在单弯头下游的流场适应性，并与实验结果进行了比较：仿真结果和实流实验能够相互印证，说明可以运用CFD仿真方法对超声流量计的流场适应性进行研究。
　　 (3)运用CFD仿真方法，分析多种声道布置形式的单声道超声流量计在不同阻流件下游、不同流速条件下的测量性能。结果表明：超声流量计的流场适应性与超声波在管道内的传播长度、反射次数没有必然的联系；“三角形”型超声流量计对多种典型非理想流场均具有较好的适应性；两个相互正交的“三角形”型声道能够进一步提高超声流量计的流场适应性。
　　 (4)运用CFD仿真方法，对多声道超声流量计在单弯头下游的流场适应性进行了研究，结果表明：声道数相同时，Gauss-Jacobi法和OWICS法的测量结果基本一致；声道数对超声流量计的流场适应性影响较大：声道数越多，流场适应性越好。
　　 (5)基于CFD仿真结果，对单弯头下游流场的变化规律进行分析，运用matlab软件基于非线性最小二乘技术对流场进行了数值拟合，构造了三维流态数学模型。通过数值计算的方法对所构建的流态模型进行了验证，结果表明：建立的三维流态数学模型能够很好地反映真实流场情况。