超声流量计探头安装位置对测量影响数值仿真研究

表1 试验仿真结果对比

表1中，“被校表流量”指本文研究的DN500 18声道超声流量计的测量结果，用qt表示；“标准表流量”指进行实流试验时标准表电磁流量计的测量结果，用q表示，仿真和实流试验均以该值作为流量标准值；“误差”的定义为

由表1可知，仿真结果与实流试验结果能够很好地吻合，说明本文采用的仿真方法是正确合理的，可将该仿真模型应用到探头全伸情况的其他流速点以及用来研究探头全缩情况，以作为研究探头安装位置对测量影响的重要研究手段。

受篇幅限制，不对模型、网格建立以及重要参数的设置过程进行详细介绍，只给出最终的模型方案：将整个计算域分成三个部分，前直管段、超声流量计和后直管段，分别进行网格划分。其中，前、后直管段采用六面体网格，一方面保证了网格质量，另一方面大幅度减少了网格数量。由于靠近管壁处速度梯度较大，因此对壁面附近网格进行了局部加密，采用边界层网格，按照FirstRow（第一层网格尺寸）、GrowthFactor（尺寸增长系数）、Rows（层数）依次为1、1.1、15进行设置。超声流量计部分是流量计算的关键区域，特别是超声探头尺寸（直径12mm）相对管径（DN500）来说很小，因此采用了设置增长函数的四面体网格方案（图4），以各个探头为源面网格尺寸由小变大，保证了探头附近的网格局部加密。最终整个计算域的网格总数量为700万左右。湍流模型采用RSM，SIMPLE算法，一阶离散格式。边界条件为均匀速度入口，出流出口，体与体之间连接面采用交接面，介质为水，壁面光滑。

图4 计算域网格剖分图

2 仿真结果分析

以下将对超声探头全伸和全缩两个典型位置的流场及其测量特性进行分析，在此之前先对DN50018声道各声道的命名进行规定，如图5所示，流体沿x轴正方向流动。

图5 18声道命名规定

2.1 探头全伸仿真结果

由于超声流量计上游及下游均为直管段，且没有阻流件影响，因此管道内部流场应为轴对称分布。以下仅给出了v=1.004m/s时最短声道1和最长声道5上轴向速度分布图和声道截面上轴向速度等值线图，来说明探头全伸对流场造成的影响。

由图6分析，探头伸入管道内部会在探头下游产生回流（图6）。对于上游侧的探头来说，回流正好位于声道上，因此呈现出负速度；而对于下游侧的探头，虽然也有回流存在，但却不在声道上，因此不会影响声道上的速度分布。整体来看，探头伸入管道造成了声道上速度分布的严重不对称（图7）。声道1和声道5对流场的影响趋势相同，但声道5探头伸入管道内的长度相对较短，因此对速度分布造成的影响没有声道1明显（图7b）。需要特别指出，声道1靠近下游侧的速度分布有一凹陷处（图7a），这是由于声道1和声道10探头距离较近，声道1下游侧正好位于声道1上游探头的尾迹区域，造成了两探头之间的相互影响。

图6 声道截面轴向速度等值线图

图7 沿声道轴向速度分布

由表1的初步仿真结论已表明，探头全伸会对流量测量产生负误差，而且随着流速增大，误差有增大的趋势。以下将针对这一现象进行分析，除表1给出的三个流速外，又进行了6m/s和8m/s两个流速点的仿真，各声道上平均速度的归一化速度分布如图8所示。图8中，5Dup表示超声流量计上游5D位置，同样采用18声道布置形式且不考虑探头影响时的情况，将其积分流量作为流量标准值来进行讨论。