張后文

(安徽省鳳凰頸排灌站管理處，安徽 無為 238300)

大型低揚(yáng)程泵站一般帶有形狀復(fù)雜的進(jìn)出水流道；因此進(jìn)行泵流量瞬態(tài)流量測量時，往往難以滿足各種流量測量設(shè)備所要求的斷面流速分布均勻和一定長度直管段的要求，從而影響到測量精度。過去泵站測流較常使用的方法有流速儀法、五孔探針法以及差壓法等。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于大型低揚(yáng)程泵站的水利工程中。李文杰從測驗軟件的選用及主要參數(shù)配置、盲區(qū)插補(bǔ)估算、底沙運(yùn)動、測點流速以及垂線平均流速等方面開展了 ADCP 流量比測試驗，并進(jìn)行了精度分析。結(jié)果表明，ADCP流量測驗同流速儀流量測驗比測誤差精度指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

但是，目前流量測量的研究在一次試驗中只使用了一種測試方法，且只進(jìn)行了一種工況的測試，對泵裝置在不同工況下流量變化的數(shù)據(jù)分析研究較少。因此本文首先對派河口泵站進(jìn)水流道進(jìn)行數(shù)值模擬計算，找到超聲波合適的安裝位置；然后通過試驗測量，對比分析電磁測流法和超聲波時差測流法的差異性，為超聲波測流技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用提供參考。

1 進(jìn)水流道數(shù)值計算

1.1 計算模型與邊界條件設(shè)置

模型軸流泵泵裝置參數(shù)如下：設(shè)計流量

Q

=303.7L/s，設(shè)計揚(yáng)程

H

=4.8 m，平均凈揚(yáng)程

H

=4.0 m，最高凈揚(yáng)程

H

=5.3 m，最低凈揚(yáng)程

H

=0.2 m；額定轉(zhuǎn)速

n

=1430 r/min，比轉(zhuǎn)速

n

=887；葉片數(shù)

z

=3，導(dǎo)葉葉片數(shù)

z

=6，葉輪直徑

D

=300 mm，葉頂間隙

C

=0.15 mm。本文選取進(jìn)水流道進(jìn)行單獨數(shù)值計算，計算域控制方程為雷諾時均方程，模型湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)

k

-

ε

。進(jìn)水流道進(jìn)口按質(zhì)量流量給出，出口采用自由出流條件；壁面、隔板邊界條件采用無滑移固壁定律。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

設(shè)計工況下進(jìn)水流道的速度分布圖如圖1(a)所示。由進(jìn)口至出口方向，流道斷面面積逐漸減小，流線光滑且平順，沒有漩渦等不良流態(tài)出現(xiàn)。流體經(jīng)過彎管時,彎管內(nèi)徑速度明顯大于彎管外徑速度，流速分布較不均勻，且彎管處半徑較小，聲波反射時間短、不易被識別，因此彎管部分不能作為安裝流量計的理想位置。如圖1(b)所示設(shè)計工況下進(jìn)水流道壓力云圖。流道彎管段外徑壓力高于內(nèi)徑壓力，不穩(wěn)定的壓力變化易產(chǎn)生微小的漩渦，易對超聲波的識別產(chǎn)生干擾。在隔板附近，壓力與流速分布均勻，且隔板與流道外壁的距離適中，因此隔板處是安裝超聲波流量計的理想位置。

圖1 設(shè)計揚(yáng)程下進(jìn)水流道內(nèi)部流場分布圖

2 試驗測量

2.1 換能器安裝位置

本次試驗采用北京昌民技術(shù)有限公司的10聲道超聲波流量計在江蘇大學(xué)高精度水力機(jī)械四象限試驗臺進(jìn)行流量對比試驗研究，得到其流量對比測試誤差，為提高超聲波流量計在派河口泵站中的測量精度找到有效方法，試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖與安裝位置如圖2所示。

圖2 試驗臺現(xiàn)場示意圖

2.2 測試方法

以試驗臺德國科隆DN350智能電磁流量計的測試值作為標(biāo)準(zhǔn)值。流量計經(jīng)權(quán)威部門率定，測量精度優(yōu)于±0.2%。超聲波流量計系統(tǒng)精度優(yōu)于±0.5%。對比測量了3.07m、4.0m、4.7m、5.3m對應(yīng)的流量。采樣間隔與采樣時間分別為1s和30s。

2.3 測量結(jié)果分析

不同工況下2種測試方式測得的數(shù)據(jù)變化曲線圖如圖3所示。在不同揚(yáng)程下，2種測試方式所測數(shù)據(jù)變化趨勢均相同。但是，在低揚(yáng)程工況(3.07m、4.0m)下：超聲波流量計所測流量脈動小于電磁流量計所測流量脈動。在高揚(yáng)程工況下(4.7m、5.0m)，由于進(jìn)水流道內(nèi)部不穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu)對量計數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生了干擾，增加了數(shù)據(jù)變化的不穩(wěn)定因素，因此超聲波流量計與電磁流量計所測流量脈動均較大。

圖3 不同工況流量測試曲線圖

進(jìn)水流道超聲波測流試驗數(shù)據(jù)分析如表1所列。將電磁流量計作為評判標(biāo)準(zhǔn)可知，在揚(yáng)程為4 m的工況下，超聲波流量計測量誤差最大為0.097%，在揚(yáng)程為3.07m的工況下，超聲波流量計測量誤差最小為-0.012%。由進(jìn)水流道超聲波測流試驗數(shù)據(jù)可知，即使考慮到現(xiàn)場換能器安裝、過流斷面面積測量等方面因素的影響，現(xiàn)場測流精度仍可望控制在±1%以內(nèi)，滿足泵站現(xiàn)場測流的需要。

表1 進(jìn)水流道超聲波測流量試驗數(shù)據(jù)分析

3 結(jié) 論

超聲波流量計在低揚(yáng)程工況下，測得的數(shù)據(jù)變化趨勢與電磁流量計相比較為平緩穩(wěn)定，相對誤差的變化范圍較??；但在高揚(yáng)程工況下，測得流量數(shù)據(jù)和誤差變化趨勢與電磁流量計幾乎相當(dāng)，平均誤差隨著揚(yáng)程的增加而增大。通過現(xiàn)場試驗狀況和數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)時差式超聲波流量計具有安裝簡單、抗干擾能力強(qiáng)、阻力損失小等優(yōu)點，可實現(xiàn)流量的在線測量，為泵站的運(yùn)行管理和優(yōu)化調(diào)度提供依據(jù)。