針對上游彎管流場變化對超聲波流量計測量精度的影響，利用CFD對測量管道內部流場進行數值仿真模擬，并設計整流器改善由彎管導致的明顯的二次流和渦流等情況，以減小超聲波流量計測量誤差。研究對象為基于時差法的 DN15 超聲波液體流量計，流量范圍在0.1~1.5m3/h 內，上游彎管與流量計之間測試直管段距離為 2~20D。對比超聲波流量計加裝整流器前后測量誤差，通過實驗結果驗證，未整流時流量計隨著直管段越短測量誤差越大，安裝的整流器可以改善管道內流場的速度分布，將直管段長度縮短為 10D，提升超聲波流量計測量誤差滿足在±1.5%以內，驗證了數值模擬的正確性，對工程實際應用具有一定指導意義。

超聲波流量計具有非接觸、精度高、智能化、壓損低等優點，具有廣闊的發展前景。超聲波流量計精度受影響主要原因有：計量管段、流場以及回波信號質量。其中超聲波回波信號是主導因素，信號采集與處理是流量計的核心，流場不穩定對計量結果產生直接影響。采用時差法*先需要測量一對換能器對射聲束線平均速度，經過修正計算得到面平均速度進而推導出流量，流量測量受渦旋產生的徑向速度分量影響較明顯，因此在測量時管段內部流動需充分發展。但在特定場合由于存在上游阻流件會影響管段內流場分布，增大測量誤差，工業現場實際應用時 90°彎管較為常見，彎管阻流件改變流場速度分布，產生二次流對測量結果有著不可忽略的影響。王雪峰等基于 CFD與試驗相結合方法研究彎管安裝條件，并分析氣體超聲波流量測量誤差影響因素，彎管與安裝位置會對測量結果產生不同程度的影響。楊志超等采用 CFD 方法研究平面和空間彎管存在時，下游熱式氣體流量計測量偏差，加入整流器對于減小測量誤差有明顯作用，可大大縮短直管段的長度。Piotr 等通過三種湍流模型進行液壓彎管的流動模擬與超聲波流量計測量結果進行對比，討論單個湍流模型的準確性。YehTT等通過數值模擬對非理想狀態下超聲波流量計進行仿真分析，得出強烈的二次流使測量準確度無法保證，傳統流量系數曲線不再適用。以往的研究目的是避免安裝效應對測量精度的影響，然而在某某些特定應用中，由于流體通過彎管之后流場未充分發展，測量精度受上游阻流件影響很大。本文研究應用CFD 對超聲波流量計上游阻流件為彎管時管段內部流場進行數值模擬，分析超聲波流量計測量誤差產生的來源。并設計整流器對流場進行優化，降低特定測試條件下的測量誤差，提高超聲波流量計對現場環境的適應性。

1．充分發展直管段測量誤差

對于管道內部流體運動狀態，可分為未充分發展和充分發展兩種情況。充分發展指管段邊界層厚度與管道直徑相等，充分發展之前的未充分發展段稱為初始段。流體進入直管段后都要經歷起始到充分發展流動的過程。

2．數值仿真

一般在數值模擬之前，需驗證數值仿真準確性。如圖 1所示理論與模擬系數進行對比。理論修正系數通過公式推導計算得到。模擬系數是通過數值模擬方法仿真計算出 u L 與u A 的比值。理論與模擬系數間誤差越小，數值模擬方法越準確。

圖 1 理論系數與仿真系數對比曲線圖

3．數值模擬結果分析

如圖 2所示為管道內部橫截面速度云圖。圖中所展示的流量點的速度，均為Q=1m 3 /h。彎管與流量計之間直管段分別取 L 0 =2D、4D、6D、8D、10D 和 20D。

圖 2 測量段橫向截面速度等值線

如表1所示為彎管未加裝整流器時流量誤差。如表1所示，在彎管與測量段間距較小，彎管段內會產生強烈二次流，對測量準確度影響*高可達 18.97%。直管段增至 8D 后，二次流對測量精度影響降低至 10%內。如圖2所示為彎管流量測量相對誤差。橫軸為流量，縱軸為相對誤差。

表 1 彎管未加裝整流器流量誤差

圖2 彎管流量測量相對誤差

由圖2可得，流量為 0.1~1.5m 3 /h 時，距離 L 0 越小誤差越大。L 0 相同，則相對流量誤差曲線趨于直線。隨著流量的增加，相對流量誤差總體上趨于增加。觀察這幾個測量段的等值線圖可以看到，在這一距離段的流體分布不均勻，流體分布中存在渦流或二次流現象。

加裝整流器改善測量準確度根據以上分析，彎管內會產生二次流和渦流，對測量精度有顯著影響。為減少測量誤差，整流器置于管入口處。柵格整流器由等截面的矩形、圓形管構成。整流器控制流量，使速度平行管道軸線。將大渦流分裂成小渦流，提高測量準確度。如圖3所示為柵格整流器幾何結構示意圖。

圖3 柵格整流器幾何模型

為驗證本文數值模擬結果的正確性，搭建實驗平臺進行流量實驗測量，3D 打印柵格整流器如圖4所示，實驗平臺由水泵，水箱，調節閥、節流閥，若干長度管道（2~20D），1 級標準表，被檢超聲波流量計，柵格整流器組成。實驗平臺如圖5所示。

圖 4 柵格整流器實物

圖 5實驗平臺

4. 結論

中國計量大學姚爽團隊對上游彎管對超聲波流量計管段內部流場進行數值模擬研究，得出 90°彎管會對超聲波流量計測量誤差產生影響，設計并安裝柵格整流器改善內部流場速度分布。實驗結果表明：存在上游彎管時，超聲波流量計隨著彎管出口直管段長度的增加，測量誤差逐漸減小，由 2D 時的 18%左右減小到 20D 時的 3.5%以內，加裝整流器后在 7%以下。通過實驗實測數據驗證，相比未加整流器測量誤差范圍減小6%。加裝柵格整流器可有效降低管道流體狀態擾動對測量誤差的影響，從而減小前直管段的設計長度到 10D，并改善了流量計的綜合適應性。

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