超聲波流量計(jì)作為一種較高精度的流體計(jì)量工具，在節(jié)能降耗方面發(fā)揮著巨大作用?；?Fluent 軟件，選用k-ε模型對(duì)超聲流量計(jì)基表內(nèi)的流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過計(jì)算及結(jié)果分析得到超聲波流量計(jì) K 系數(shù)及 K 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的分布規(guī)律，并探討了超聲波流量計(jì)***優(yōu)聲路的選擇，反射柱直徑、換能器露出高度對(duì)基表內(nèi)水流特性的影響規(guī)律。數(shù)值模擬對(duì)流量計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。

0.前言

時(shí)差法超聲波流量計(jì)是一種利用超聲波信號(hào)在流體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來測量流體流量的測量方法 ，它具有測量范圍寬、測量精度高、使用方便、安裝簡單等特點(diǎn)。

超聲波反射裝置由表面光滑的合金制成，它在傳送超聲波信號(hào)的同時(shí)，也阻礙流體通過，使得流量計(jì)內(nèi)水流特性非常復(fù)雜。工程人員進(jìn)行流量計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，需考慮圖 1 所示反射柱直徑 d、換能器露出高度H、兩反射柱距離 L、縮管直徑 D 等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本文作者基于 Fluent 流體軟件，通過數(shù)值模擬來研究反射裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)基表水流特性的影響規(guī)律，為流量計(jì)基表結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

K 系數(shù)

根據(jù)超聲波流量計(jì)測量原理可知，流量計(jì)測量的流速為超聲波傳播路徑上的線平均速度，而非測量截面內(nèi)流體的面平均速度，需引入修正系數(shù) K 對(duì)其速度進(jìn)行修正 。K 系數(shù)定義為:

均值。

目前，K 系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差已成為衡量超聲波反射裝置、超聲波聲路優(yōu)劣的主要依據(jù) 。本文對(duì)聲路的定義如圖 2 所示: 以反射面中心為基準(zhǔn)，往外每增加0. 5 mm 進(jìn)行劃線，分別標(biāo)記為 Line0，Line1，…，

LineN，對(duì)應(yīng)的 K 系數(shù)依次編號(hào)為 K1 ，K2 ，…，Kn 。不同聲路的 K 值可以通過 Fluent 后處理功能獲取。

2.反射柱直徑對(duì)基表水流特性的影響規(guī)律

為了研究反射柱直徑對(duì)基表水流特性的影響規(guī)律，文中選取了 5 組不同的直徑數(shù)值，分別為 d = 11. 2、12. 6、14. 0、15. 4、16. 8 mm?；砥溆嘟Y(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，換能器露出高度 H =11. 4 mm，縮管直徑 D =14 mm，反射裝置軸向距離 L =72 mm。分別按照上述參數(shù)建模，并基于 Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以探討不同反射柱直徑對(duì)基表內(nèi)水流特性的影響規(guī)律。

圖 3 反映了不同反射柱直徑對(duì)各聲路 K 系數(shù)的影響規(guī)律。由圖可知，盡管反射柱直徑不同，但各聲道 K 系數(shù)的變化規(guī)律基本一致，從中心聲道 Line0 到第 14 聲道 Line14 基本上呈先降后升的趨勢，各聲路升降轉(zhuǎn)折拐點(diǎn)并不相同。d =11. 2 mm 時(shí)，K 系數(shù)前幾條聲路相對(duì)平緩。隨著反射柱直徑 d 的增加，1 － 6 聲路 K 系數(shù)下降幅度明顯增大，這是由于隨著反射柱直徑的增大，其阻流效果越發(fā)明顯所致。圖中第五條聲道 Line5 ( 即橫坐標(biāo) 5 對(duì)應(yīng)的 K 值) 為不同反射柱直徑 K 系數(shù)相交點(diǎn)，說明該聲路 K 系數(shù)***為穩(wěn)定，不會(huì)隨反射柱直徑的變化而產(chǎn)生顯著變化。

圖4 反映了不同反射柱直徑對(duì) K 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的影響規(guī)律。由圖可知，當(dāng)反射柱直徑較小時(shí)，K 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差較小。隨著反射柱直徑的增大，如 d =16. 8 mm 時(shí)，K 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差呈明顯增大趨勢，這是由于隨著反射柱直徑的增大，反射裝置與基表內(nèi)表面之間的過流面積明顯減小，流體承受阻流作用增大，流體只能以較高流速快速通過兩反射裝置之間的通道區(qū)域，流體擾動(dòng)大，流動(dòng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致 K 值標(biāo)準(zhǔn)差明顯增加。

圖5 反映了不同反射柱直徑對(duì)反射柱周邊流場的影響規(guī)律。由圖可知，由于反射柱對(duì)液流的阻礙作用，反射柱反射面附近會(huì)出現(xiàn)漩渦，部分流體從反射柱周邊流向反射面，形成回旋。反射柱直徑越大，漩渦形成的范圍也越大。

圖 6 反映了不同反射柱直徑對(duì)整個(gè)基表內(nèi)流場的影響規(guī)律。由圖可知，d =11. 2 mm 的速度等值線比d=16 mm 更為稀疏，速度梯度小，速度分布更均勻，說明此時(shí)基表內(nèi)部流場的品質(zhì)更好。隨著反射柱直徑的增大，反射柱與流量計(jì)內(nèi)表之間的徑向間隙減小，造成過流面積縮小，流速增大，流場分布雜亂，速度等值線梯度大，分布密集。當(dāng)然，反射柱的直徑不能一味減小，還得考慮反射面對(duì)超聲波的良好反射作用，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需在兩者之間找到一個(gè)很好的平衡點(diǎn)。

3.換能器露出高度對(duì)水流特性的影響規(guī)律

 為了研究超聲波換能器露出高度對(duì)基表水流特性的影響規(guī)律，采取了 5 組不同的高度數(shù)值，分別為H=9. 4、10. 4、11. 4、12. 4、13. 4 mm; 基表其余結(jié)構(gòu)參數(shù)全部相同，反射柱直徑 d =14 mm，縮管直徑 D=14 mm，反射裝置軸向距離 L=72 mm。按照上述參數(shù)分別建模，并基于 Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以探討不同超聲波換能器露出高度對(duì)基表內(nèi)水流特性的影響規(guī)律。

圖 7 反映了不同換能器露出高度對(duì)各聲路 K 系數(shù)的影響規(guī)律。由圖可知，盡管換能器露出高度不同，但各聲道 K 系數(shù)的分布變化規(guī)律基本一致，從中心聲道 Line0 到第 14 聲道 Line14 基本上呈先降后升的趨勢。換能器露出高度對(duì)中心軸線的聲路影響較大，表現(xiàn)為中心聲道 Line0 ( 即橫坐標(biāo) 0 對(duì)應(yīng)的 K 值) 差異非常明顯。各條聲道先降后升后，于第 11 條聲路 Line11 相交，說明超聲波換能器露出高度對(duì)該聲路的影響***小，此時(shí)可選為***優(yōu)聲路。

圖8 反映了不同換能器露出高度對(duì) K 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的影響規(guī)律。由圖可知，隨著換能器露出高度 H 的增大，K 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差呈明顯下降趨勢。H =12. 4 mm 時(shí)，K 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差***小。這是由于隨著露出高度 H 的增大，換能器上表面與基表內(nèi)壁之間的間隙增大，從而使得過流面積增大，流體流過反射裝置時(shí)受到的阻礙作用減小，流體擾動(dòng)減弱，流場更為穩(wěn)定。

圖9 反映了不同換能器露出高度對(duì)反射柱周邊流場的影響規(guī)律。由圖可知，由于反射柱對(duì)液流的阻礙作用，無論取何種露出高度數(shù)值，入口處反射面附近都會(huì)出現(xiàn)漩渦 ( 見圖 9 標(biāo)記處) 。這是由于高速流體經(jīng)過擠壓后將順著反射面下滑，受反射柱周圍高速流體的影響，形成回旋，從而產(chǎn)生漩渦。但隨著換能器露出高度的增大，反射面與基表內(nèi)壁間的間隙增大，回旋的范圍及強(qiáng)度有下降的趨勢。此外，出口反射面附近也會(huì)出現(xiàn)漩渦，這是由于流體沿著反射面上行時(shí)，遇到基表內(nèi)壁阻擋，形成回旋所致。隨著換能器露出高度的增加，出口反射面上方的漩渦區(qū)域越發(fā)明顯。

圖10 反映了不同換能器露出高度對(duì)整個(gè)基表內(nèi)流場的影響規(guī)律。由圖可知，不同換能器高度，基表縮管內(nèi)流場基本相似，說明換能器露出高度對(duì)基表內(nèi)流場的影響較小。

4.結(jié)論

( 1) 由于反射柱對(duì)液流的阻礙作用，入口反射面附近會(huì)出現(xiàn)漩渦; 反射柱直徑越大，漩渦形成的范圍也越大。

( 2) 隨著反射柱直徑的增加，K 系數(shù)波動(dòng)明顯;適當(dāng)減小反射柱直徑，可改善基表內(nèi)部流場品質(zhì)，流速分布更均勻。

( 3) 出口反射面附近也會(huì)出現(xiàn)漩渦，隨著換能器露出高度的增加，此處漩渦區(qū)域越發(fā)明顯; 換能器露出高度對(duì)基表內(nèi)流場的影響較小。