韓思奇

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津 300350）

超聲波流量計得益于計算原理簡單、測量過程不與介質(zhì)直接接觸、在不同管徑下精度較高、易于組網(wǎng)監(jiān)控等特點，在化工領(lǐng)域的流體測量中越來越受到人們重視。超聲波流量計是近年來儀器儀表領(lǐng)域的研究熱點，因其測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，而且安裝使用非常方便。但是，能夠增加超聲波流量計測量誤差的因素也很多，如能夠準(zhǔn)確計算超聲波在流體中的傳播時間、管道內(nèi)流體是否是理想狀態(tài)下流動、換能器接收信號的性能以及超聲波流量計的安裝位置等[1]。

煉油廠中化工管路是運輸原油、天然氣以及其他化學(xué)品介質(zhì)的主要方式。然而，由于實際工況下石油化工管道結(jié)構(gòu)的差異，如90°彎管、T型管、變徑管等；加上輸送化學(xué)品普遍具有腐蝕性，會增加管道內(nèi)壁的粗糙度，導(dǎo)致管道內(nèi)流體流動狀態(tài)像非理想流體流動變化，進(jìn)而影響流量監(jiān)測的精確度[2]。

計算流體力學(xué)軟件（FLUENT）是當(dāng)今流體力學(xué)領(lǐng)域使用比較廣泛的商業(yè)軟件，其模擬仿真結(jié)果比較貼近實際情況，因此研究采用仿真的方法可以有效節(jié)省人力物力。目前超聲波流量計的聲道算法大多是以理想流體流動為前提的，當(dāng)管道結(jié)構(gòu)等條件發(fā)生改變后容易造成流型的突變，從而影響測量準(zhǔn)確度[3-4]。從當(dāng)前研究結(jié)果分析，對于上游阻流件或管道內(nèi)壁粗糙度對流體流型以及流量計測量精度的影響研究尚在起步階段。

本研究建立了直管以及T型管兩種工業(yè)常見石油化工管道模型，考察了流體速度以及管道粗糙程度對于流型的影響，以提高流量計的測量精度。

1 超聲波流量計原理

流體流動方向會對超聲波的傳播速度造成影響，這就是基于時差法下流量計的檢測原理，也是流體速度、流量監(jiān)測比較有效的方式。超聲波的傳播方向與流體同向，則傳播時間會減少；如果與流體流動方向相反則傳播時間延長[5]。

2 管道模型及仿真設(shè)置

2.1 幾何模型的建立

考慮到管道上游阻流件結(jié)構(gòu)會造成管道內(nèi)出現(xiàn)渦流等非對稱流型，其湍動程度也會發(fā)生變化，因此，建立直管及T型管管道模型，分析流動狀態(tài)的改變對于超聲波流量計測量精度的影響。管道結(jié)構(gòu)包括入口管道、出口管道以及上下游直管段組成，管道直徑D=50 mm，超聲波流量計安裝檢測位置為距水平入口管道20D處。

2.2 FLUENT仿真設(shè)置

利用GAMBIT軟件進(jìn)行管道模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格的劃分，將T型管道中垂直入口與水平入口交接處進(jìn)行加密處理，整體模型網(wǎng)格數(shù)量50萬左右。選擇水作為流體介質(zhì)，由于觀察非理想流動下流型的變化，因此管道內(nèi)流體雷諾數(shù)較高，屬于湍流狀態(tài)，選擇RNG k-?湍流模型進(jìn)行仿真計算。

為使仿真結(jié)果更加貼近實際情況數(shù)據(jù)，使模擬過程更加合理化，要對FLUENT操作變量進(jìn)行設(shè)置。

（1）規(guī)定初始入口流速為0.3 m/s、1 m/s、2 m/s，對應(yīng)雷諾數(shù)分別為5.0×104、1.6×105、3.3×105，使管道內(nèi)流體流動形成3種明顯的湍動程度。（2）改變管道粗糙度，設(shè)定粗糙高度為0 m、0.005 m、0.01 m，考察在管道光滑度不均勻情況下如何對計算方法進(jìn)行修正，以提高超聲波流量計的測量精度。

3 仿真結(jié)果討論

3.1 速度場對管道內(nèi)流體流型的影響

圖1和圖2是直管及T型管結(jié)構(gòu)下管道內(nèi)流體流動的速度分布云圖。通過仿真分析可以看到，不論流體在直管還是T型管內(nèi)流動，由于水自身具有黏度、靠近管壁處存在邊界層效應(yīng)，管道截面處流體流型均存在速度梯度，靠近管內(nèi)壁處速度為零、遠(yuǎn)離壁面處流速相對較高，而且隨著上游管道形狀以及初始流速的改變，流體受到的阻力也會隨之變化，導(dǎo)致流場分布的不均勻性。

圖1 不同速度下直管內(nèi)流體速度分布

圖2 不同速度下T型管內(nèi)流體速度分布

當(dāng)流體入口速度由0.3 m/s提高至2 m/s后，管道雷諾數(shù)從5.0×104變?yōu)?.3×105，流體的湍動程度有了較大幅度的提高。對于直管，流體流速由0.3 m/s提升至1 m/s時管道內(nèi)速度梯度分布比較規(guī)則，速度分布整體呈對稱分布，當(dāng)流速進(jìn)一步提高至2 m/s后，管道內(nèi)任何微小的突起（如管道間焊接處等）都會使流體流動的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而造成了速度云圖的隨機性及無序性；在T型管中，兩股入口流體在管道交接處會有渦旋產(chǎn)生，此時流體受到的離心力作用很強，速度最大值等值面逐漸偏離軸心處，管道截面處會出現(xiàn)部分流速較低區(qū)域，而且隨著管道雷諾數(shù)的提升這種速度極值面積更加明顯。此時，可以采用延長下游緩沖管道長度，在工況允許條件下將超聲波流量計安裝位置后移至完全發(fā)展流段等方式來減少因為流型改變造成的測量誤差。

3.2 管道粗糙度對于流體流型的影響

在化工廠實際生產(chǎn)中，管道輸送的化學(xué)品會發(fā)生沉淀，使管道內(nèi)壁會有不同程度的突起，也就是粗糙度有所提高，導(dǎo)致管道內(nèi)徑的減少。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著粗糙度的提高，管道截面處流體的速度梯度越來越明顯，而且速度分布對稱性逐漸降低。說明管道直徑在流量計測量的精確度方面還是非常重要的，如果不能定期對管道進(jìn)行測量和清洗，可以通過優(yōu)化算法，調(diào)整超聲波流量計聲道系數(shù)來達(dá)到校準(zhǔn)的目的，修正后的超聲波流量計可以將管道粗糙度造成的測量誤差降到最低。

4 結(jié)語

本研究采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬仿真方式，研究了流體在直管、T型管兩種管道模型下流場變化對超聲波流量計測量精度的影響。隨著入口流速的提高，管道內(nèi)流體湍動程度逐漸提高，速度等值面的非對稱性和無序性增強，通過加長直管段管道長度、調(diào)整超聲波流量計的測量位置可以降低由于非理想流體對于測量精度的影響；通過對管道內(nèi)部不同粗糙度的模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速提高后不光滑的壁面會使流體流動方向發(fā)生改變，從而造成管道截面整體流型的變化，實際測量中可以針對不同管道的腐蝕程度，結(jié)合FLUENT進(jìn)行超聲波流量計算法的優(yōu)化，調(diào)整權(quán)重系數(shù)已達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。

本研究采取的模擬仿真的分析方法對于不同管道類型、不同流體介質(zhì)的流動情況分析同樣適用，在定性定量確定了影響超聲波流量計測量精度的因素后，下一步可以搭建實驗裝置，探索聲道位置、流量計安裝角度等因素對檢測結(jié)果的影響。