电磁超声流量计仿真与设计-会议论.docx

电磁超声流量计仿真与设计摘要：本文设计一种电磁流量计和超声流量计相结合的复合式流量计。此种新型流量计可对不同种类的液体有针对性的进行计量，发挥各自单独优势，提高计量数据准确性，并且可以使用超声波流量计定期对电磁流量计进行校准，实现流量计的自校准。采用FLUNT仿真软件，研究换能器对电磁流量计电极附近流场的影响，计算电极垂直截面处流体的平均流速以及流场稳定性，确定换能器最佳安装位置。仿真结果表明，两个换能器之间的垂直距离在80mm时，电极截面附近平均流速与入口给定流速相近，并且流场稳定，无漩涡存在，为实际管道加工提供理论依据。关键词：中图分类号：TB937Abstract:Key Words:1. 前言电磁流量计由于其压损小、量程范围宽、精度高并且可测量各种浆液等优点，已被广泛地使用在工业工程中一些导电液体的流量测量，大口径电磁流量计被应用于城市自来水供应、污水排放等关系到国计民生、贸易结算等流量计量领域1。电磁流量计流量量值通常在制造厂经过流量标准装置实流校准，然而在现场流动和使用条件偏离实流校准时的参比工作条件，或者是贸易交接计量需要短期内需要进行周期检定，以及不容许停役管线离线校准的场所，需要对流量计进行在线校准2，以确保计量数值准确可靠。流量仪表在线校准是在现场将流经待校准仪表的流体临时接入流量标准装置或是标准计量器具进行比较。电磁流量计电极和超声流量计换能器安装在同一段测量管上，可实现电磁流量计的在线自校准。2. 流量计管道模型建立 电磁流量计安装时，电极与励磁线圈在空间上相互垂直。超声波换能器与电磁流量计共用同一段管体，若换能器与励磁线圈安装在同一截面，由于励磁线圈体积过大，必然导致安装不便，所以考虑换能器与电极安装在同一截面上，换能器分布于电极两侧，以Z型进行安装。 电磁流量计是通过检测管道内流体的平均流速来求得流量。此处平均流速，是指管道垂直截面上的平均流速。超声波流量计部分采用双探头单声道时差法原理，两探头之间距离为，声道与管壁倾角，顺流传播时间为，逆流传播时间为。容易推算出管内流体的平均速度：式中：；为声波在两探头间流体中直线传播次数，上述情况；为管道内直径。管道模型采用DN50管道，为了得到充分发展的流场，基表上游直管段取的长度，下游直管段取的长度3。换能器直径为10mm，如图1所示，插入深度约为5mm。图2为复合流量计的管道模型。 图1 超声波换能器 图2 复合流量计管道模型 Figure.1. Ultrasonic transducer Figure.2. Compound flow meter pipe model3. 网格划分与边界条件设置采用Solideworks对管道整体结构建立模型。综合考虑节省管道材料，换能器安装不影响电磁流量计正常工作，以及电磁极板安装方便等因素，共建立4组模型，管道口径均为50mm，换能器之间的垂直距离()分别为40mm、60mm、80mm和100mm，然后将4组模型导入Gambit绘制网格。由于换能器附近结构复杂，使用非结构网格单独划分，其他管道部分采用结构网格即可满足要求，网格尺寸均设定为1.5，网格数量为43万个。图2为网格划分示意图。图3 复合流量计网格划分示意图Figure.3. Schematic of composite meter mesh基于该流量计的用途，管道内的流体选取液液态水，水温设置为常温20，入口速度设定为小流量0.5m/s和常用流速4m/s，出口设置为OUTFLOW。由式（1）可得出雷诺系数，管道内的流体为湍流状态。针对发展非常充分的湍流流动模型，选取标准模型来计算，可使得计算结果更加精确。对于圆形管道，水力直径就等于圆管直径，湍流强度4按公式（2）可得 。湍流长度尺寸按公式（3）进行计算。 （1）式中：为20水的运动粘度；为入口水流速；为特征尺寸，即管道直径。 （2）式中：和分别为湍流脉动速度与平均速度。 （3）由湍动能按公式（4）可计算得出。 （4）在已知湍流长度尺度情况下，湍流耗散率可按照公式（5）来计算可得出。 （5）式中：按经验取值0.095。 由于液态的水处于不可压流动，所以在求解离散方程时，采用FLUENT默认状态下的分离求解器，计算空间选择三维模型，时间上选择稳态，欠松弛因子保持默认状态，残差收敛精度设为10-4，迭代次数设置为10000次，实际迭代2000次左右就收敛，终止迭代。 4. 实验结果分析在边界条件设置相同情况下，采用FLUNT对不同模型进行求解计算，截取电极处垂直于管体截面的速度分布云图，如图4（入口流速0.5m/s）、图5（入口流速4m/s）所示，分别为换能器之间不同垂直距离的等速线剖面图。 （a）换能器相距40mm速度分布图 （b）换能器相距60mm速度分布图 （a）velocity profile of transducer apart 40mm （b）velocity profile of transducer apart 60mm （c）换能器相距80mm速度分布图 （d）换能器相距100mm速度分布图（c）velocity profile of transducer apart 80mm （d）velocity profile of transducer apart 100mm图4 入口流速0.5m/s时电极截面速度分布图Figure.4. The electrode-sectional velocity profile y when the inlet velocit is 0.5m/s. （a）换能器相距40mm截面图 （b）换能器相距60mm截面图（a）velocity profile of transducer apart 40mm （b）velocity profile of transducer apart 60mm （c）换能器相距80mm截面图 （d）换能器相距100mm截面图（c）velocity profile of transducer apart 80mm （d）velocity profile of transducer apart100mm图5 入口流速4m/s时电极断面速度分布图Figure.5. The electrode-sectional velocity profile y when the inlet velocit is 4m/s. 电极1流体入口电极2 图6 换能器相距80mm管内流体速度分布图Figure.6. The fluid velocity distribution in pipeline when gap between transducers is 80mm.据以上流速分布图，容易看出两个换能器之间距离在低于60mm时，电极截面附近流场不稳定，出现高流速集中在管道两侧，导致利用超声和电磁原理计量流量不准确。当换能器相距80mm以上时，流场流速均匀分布在整个管道内，可知此时换能器的安装对管内流场影响很小，可忽略。图6展示了换能器相距80mm，入口流速为4m/s，管道内部流场的纵向截图，可以清晰的看出电极断面处和换能器之间的流场几乎没有受到换能器安装的影响，两换能器之间的安装距离超过80mm，可认定为合理安装距离。在计算电极截面处平均流速时，为减小误差，在电极截面前后每相隔2mm截取一个截面，共取7个截面，即电极截面向前取3个截面，向后取3个截面。然后计算出7个截面平均流速，最终结果如表1所示。表1 电极截面附近平均流速Table.1. Theaverage flow velocity near the electrodesection入口速度（m/s） 40mm（m/s） 60mm（m/s） 80mm（m/s） 100mm（m/s）0.540.501379014.01588680.500575014.0065084 0.50065464 4.00557420.499962124.0012851 由表中数据可得出，电极截面附近平均流速随着换能器之间距离的增加误差越来越小，结果和图4、图5流速分布图相吻合，说明换能器相距越远，对电极附近流场影响越小。5 实验数据表3 智能电磁超声流量计检定记录检定流量点（m3/h）电磁体积（L）超声体积（L）标准体积（L）检定时间（s）流量点流速（m/s）电磁误差（%）超声误差（%）电磁重复性（%）超声重复性（%）34.95334.97334.98424.88524.89324.90310.14210.13310.125490.74500.55496.63496.27497.24494.65100.44100.64100.27492.80502.72498.52495.47498.21496.59100.43100.51100.40492.20502.20497.50493.60496.20494.80100.30100.45100.1550.69451.69451.19571.40871.76171.52835.60335.68735.6084.944.954.953.523.523.521.431.431.43-0.296-0.328-0.1740.0540.021-0.0300.1380.1920.1170.1230.1040.2050.3790.4060.3610.1330.0620.2520.0810.0420.0390.0540.0230.096当每个流量点重复检定n次时,该流量点的重复性按下式评定：式中：第检定点的重复性。6 结论 电磁流量计管体长度基本已标准化，管体内安装超声波换能器，换能器对流体有阻碍作用。在不增加管体长度的情况下，采用FLUNT软件，改变换能器之间的距离进行仿真研究。结果表明换能器的安装对管体中部截面流场产生一定的影响，随着换能器之间距离的增大，影响随之减小，当换能器距离大于80mm时，影响几乎可以忽略，为实物安装提供了理论基础。参考文献1 徐英华. 流量计量M. 北京：中国质检出版社，2012：137145.2 蔡武昌. 电磁流量计和超声流量计在线验证J. 自动化仪表，2007，28（4）：14.3 赵伟国，赵雪松等. 小管径超声波流量计仿真与设计J. 计量学报，2012，33（6）：16.4 王福军. 计算流体动力学分析M.北京：清华大学出版社，2004：120137.5 张师帅. 计算流体动力学及其应用M. 武汉：华中科技大学出版社，2011：207212.