单弯管下游超声流量计的安装和性能

 超声流量计近十年发展迅速，与传统流量计相比，具有无可动部件、管道中无阻挡件、无压力损失，测量范围宽、重复性高等优点，其中最为突出的优点是可以用于大管径流量测量，且具有较高的测量精度。目前，多声道超声流量计广泛应用于国内外大型水电站输水管道的流量计量，以实现水轮机效率和状态的在线监测。此外，美国、荷兰、英国、德国等12个国家已将多声道超声流量计应用于6英寸以上口径的天然气贸易输送计量川。我国在“西气东输”工程中，也正在研究将超声流量计取代传统的孔板流量计达到准确计量、节能降耗的目的。但在实际应用中发现，由于测量管道口径巨大加之场地的限制，超声流量计安装位置的前后直管段长度往往严重不足，造成流体流动远不能达到充分发展状态，导致超声流量计的测量性能受到影响。此外，管径巨大也给流量计的检定和各种测量性能实验的开展带来了一定困难，且费用高昂。因此，迫切需要寻找一种对大管径多声道超声流量计测量性能评估的方法。

    计算流体动力学(CFD)的发展在一定程度上为解决该问题提出了一种有效方法。国内外学者针对多声道超声流量计在非充分发展管流的情况进行数值仿真，并通过实验进行了验证。1995年，E. A. Spencer等人对扩张管和收缩管两种安装条件下上游和下游的流速分布进

行了实验和仿真研究，提出仿真采用代数应力模型( algebraic stress model)能够很好地反映实验结果。1996年，A. Hilgenstock和R. Emst}s]进行了双弯头情况的实验，对比了采用标准k-e模型和RNG模型的仿真结果，指出RNG模型效果更好。英国国家工程实验室(NEL)分别在1999年和2002年给出了两份研究报告，内容包括了对扩张、缩径、单弯头、双弯头和三弯头五种安装条件下的仿真和实验研究，并对超声流量计进行了流场适应性研究，给出了不同声道布置方案、声道数以及超声流量计前直管段长度对测量性能的影响。

    学者采用数值仿真方法对大口径90º单弯管下游多声道超声流量计的安装和测量性能进行了讨论，针对不同口径、流速、声道数、声道布置及形式都作了比较分析，仿真方法及研究结果可为大管径多声道超声流量计的实际安装和使用提供一定的参考。主要得到以下

结论:

1)由于弯管的存在，破坏了管道中的轴对称流速分布，特别是在靠近弯管处存在着强烈的二次流。由仿真结果可知，采用交叉声道布置形式能够很好地抑制二次流对测量带来的影响，提高测量精度。   

2)随着声道数增多测量误差有减小的趋势，且越不依赖于声道的布置方向(旋转角)，当声道达到一定数量后，声道增加就对精度影响很小了。但考虑到实际应用中超声流量计的成本和安装条件限制等问题，对于大口径弯管下游流量测量仿真结果表明，采用交叉四声道且

将流量计安装在弯管下游5D位置即可获得1%的测量精度，按照旋转角0º布置声道，精度还能提高。若流量计前直管段不足SD，要获得较高的测量精度需要增加声道数量，且按旋转角0º布置。

    3)相同Re情况的测量误差基本相同，符合雷诺相似准则。