CN102087130B - 基于cfd技术的多声路超声流量计弯管安装的声路优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于CFD技术的多声路超声流量计弯管安装声路的优化方法，主要包括，由管路情况计算雷诺数、迪安数及边界层厚度；利用三维造型软件对管路及流量计建模，并根据不同的安装角对管路模型与流量计模型进行装配；选取CFD软件，将装配好的模型导入并进行参数设置；模拟不同流速的流场分布，记录入口平均流量，计算声路断面流量；计算测得流量误差；对计算的各组流量误差进行线性拟合，并根据拟合斜率修正各组误差，筛选在该流速范围内误差值波动范围最小的一组，以该组的声路断面、声路数和安装角度作为该管路特征条件下的最优声路布置方案。本发明可以指导在不具备直管段安装条件下，合理选取多声路超声流量计的声路数量、测量断面及安装角度。

Description

基于CFD技术的多声路超声流量计弯管安装的声路优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于CFD技术多声路超声流量计在弯管段安装的声路优化方法，尤指利用CFD软件模拟弯管中的流场分布，调整多声路超声流量计的各个参数，使得多声路超声流量计的测试精度能够适应流场的分布。 

背景技术

随着能源和水资源的全球性匮乏，一批关系国计民生的大型水利工程和引水调水工程在我国迅速发展，如三峡水利枢纽、南水北调工程等。这些工程项目中经常包含一些口径和流量都很巨大的管路，如水电站机组进水管路等，常规流量计无法适应。近年开发应用的多声路超声流量计，较好地解决了大口径水流量测量的技术难题，流量计制造不受管路口径的限制，多声路配置可以适应较为复杂的管路结构和流态分布，故超声流量计已成为大口径水流量测量的最佳技术选择。对于多声路超声流量计测量标准直管段的流量，已有较成型的模式，而对于不具备直管段安装要求，需要在弯管处安装时，如何保证测量精度的研究几乎处于空白。由于弯管段流态的扭曲，声路数量、布置方式及安装角度对多声路超声流量计测量精度影响显著，如何根据流场的分布情况配置最优声路布置方案，对于测量结果显得尤为重要。 

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种基于CFD技术多声路超声流量计在弯管段安装的声路优化方法，对不同流场分布下多声路超声流量计的安装效应给出最优声路布置方案，进而满足测试精度的需求。 

该优化方法基于对湍流模型的理论分析，根据实际管路边界条件进行建模，并利用CFD软件分析管路内流量计安装部位的流场分布。在流场分布确定的情况下，对不同的声路数量、测量断面数和安装角度进行数值模拟，得出各个声路的速度平均值，并利用Gauss-Jacobi数值积分法去计算管路截面的平均流量。将不同进口流速计算的管路截面流量进行线性拟合，利用拟合得到的斜率进行误差修正，确定在该条件下误差的波动范围，选取误差波动范围最小的声路数量、测量断面数和安装角度作为该管路特征条件下流量计安装部位的最优声路布置方案。 

本发明基于CFD技术多声路超声流量计在弯管段安装的声路优化方法包括以下步骤： 

1)根据流体性质、管路环境、流速范围等，利用湍流理论计算雷诺数 

弯管处的迪安数 边界层厚度 

2)对整体管路结构进行简化，保留弯头前直管段10D以上，弯头后直管段5D以上(D-管路直径)，并利用三维造型软件对简化后的管路建模； 

3)根据欲安装的多声路超声流量计干流标定的各项数据，利用三维造型软件对不同声路数和断面数的流量计进行建模，使模型与流量计实物各项参数均相同； 

4)选取合适的CFD软件，并对管路模型和流量计模型根据不同的安装角进行装配，导入CFD软件进行参数设置； 

5)利用CFD软件对不同的进口流速进行模拟仿真，记录入口平均流量，并提取流量计声路断面的流场分布； 

6)在该流场分布条件下，利用数值积分法计算各声路的轴向速度和横流速度， 并根据式V＝V_axial±V_ctgφ计算流量计实测声路速度，其中：V_axial为声路的轴向速度，V_c为声路的横流速度，φ为声路夹角；再由Gauss-Jacobi数值积分法计算该组声路断面的流量 

其中：R为管路半径，w_i为i声路的权系数，V_i(r_i)为i声路的安装位置； 

7)按照步骤6)的方法逐一计算每组声路的截面平均流速，进而可以计算每组声路的流量误差 其中：q_meas为声路断面平均流量，q_act为入口平均流量，V_meas为声路断面平均流速，V_act为入口平均流速； 

8)对在相同安装条件下的各组误差值，以不同的流速值作为横坐标进行线性拟合，计算拟合斜率； 

9)根据拟合斜率修正各组误差，筛选在该流速范围内误差值波动范围最小的一组，以该组的声路断面、声路数和安装角度作为该管路情况的最优声路布置方案。 

与现有多声路超声流量计声路布置优化方法相比，本发明具有以下优点：可以对任意管路流场进行快速、有效地模拟计算，特别是弥补了当前弯管段流量计安装的声路优化方法的空白；可以节省大量的实验，有效地指导流量计出厂时的标定工作。 

附图说明

图1为基于CFD技术声路优化方法步骤框图示意图； 

图2为多声路超声流量计弯管安装实验模型示意图； 

图3为弯管简化模型示意图； 

图4为18声路超声流量计实物示意图； 

图5为18声路超声流量计仿真计算模型； 

图6为0度安装角各组声路仿真线性拟合结果示意图； 

图7为45度安装角各组声路仿真线性拟合结果示意图； 

图8为90度安装角各组声路仿真线性拟合结果示意图。 

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明结合现场实验的仿真优化实例进行说明，具体步骤如图1所示： 

1)根据实验现场提供的数据，管路内径为d＝399.489mm，弯管曲率半径为440mm入口流速为0.3m/s～4m/s，流体为水，环境温度为19.7°；经查表计算该温度下水的运动黏度v＝1.007×10-6m2/s，由雷诺数计算公式 

可知雷诺数在1.19×105-1.59×106之间；由迪安数计算公式 

可知迪安数在1.13×10⁵-1.52×10⁶之间；由于试验管路均为光滑管，按照修正后的普朗特光滑管公式 

计算沿程阻力系数λ在0.013-0.018之间，沿程阻力系数随着雷诺数的增大而减小，由边界层厚度公式 可得0.076mm≤δ≤0.821mm。 

2)图2为试验所用弯管实物模型图，根据弯管中安装流量计的位置对其进行简化，保留弯头前直管段10D，弯头后直管段5D(D-管路直径)，图3为利用Pro/E所建的弯管模型。 

3)试验所用超声流量计为18声路双断面，每个断面9声路，两个断面对称分布，流量计各声路的实测声路长度及声路夹角如表1。图4为流量计实物图，图5为利用Pro/E所建流量计模型。 

表1声路长度及声路夹角 

4)选用Comsol Multiphysics 3.5a化学工程模块湍流分析中的经典k-ε湍流模型。在Pro/E中对0°、45°和90°三个安装角进行装配，并分别导入Comsol中按照步骤(1)中计算的参数进行设置。 

5)首先对在0°安装角下18声路双断面进行了仿真计算，仿真结果能充分地展现管路内各处的流速分布情况；在经过弯管后，流态会发生很大的变化，且在弯管部分会产生局部流态的滞留现象；流量计管段内的流场受探头插入的影响较大，从仿真结果能清楚地看到在探头附近流速很小，甚至个别地方会出现倒流的现象；同时从仿真的后处理从还可以看到横流的分布情况，证实横流对于实测流速的影响是不可忽略的。利用同样的方法，对45°安装角和90°安装角18声路双断面进行仿真计算，从不同安装角流场分布的对比来看，安装角对管路整体的流场分布影响不大，但对流量计管段的流场分布影响显著。 

6)在后处理中调用线积分计算各声路的轴向速度和横流速度，并根据表1中 对应的声路角，利用V＝V_axial±V_ctgφ计算流量计声路速度；根据表2所示流量计各个声路对应的权系数，由Gauss-Jacobi数值积分式 

计算A断面与B断面的截面平均流速，表3为0°安装角仿真数据结果。 

表2声路分布位置与所对应的权系数 

表3仿真数据 

7)由流量误差计算式 

计算各组截面实测流速与标准流速的相对误差。 

8)对在同一安装角，声路断面数相同计算的各组误差值，以不同的流速值作为横坐标进行线性拟合，表4为各组声路线性拟合结果。 

表4各声路线性拟合结果 

9) 

修正各组流速，其中V′_meas为修正后的流速，a为拟合斜率，b为截距。图6、图7和图8分别为各个安装角修正前后的流速计算的误差值。 

结果表明：(1)仿真测得的流速经修正后，平均误差明显的减少，误差波动幅度得到了显著的改善。(2)在固定安装角的情况下，声路数量对误差产生的影响并不明显，使用A、B双断面测量与单断面测量的结果相差无几。(3)随着安装角度 的增大，误差有明显的上升趋势。在安装角为0°时，所有声路的误差都可控制在±0.5％之内；在安装角为90°时，多数声路在低流速下的误差接近±3％，此时声路数及断面数的增加并不能提高整体的精度，可见安装角度是影响低流速测量精度的主要因素。当流速高于1m/s时，安装角度对其的影响不再明显，除90°安装角在流速为2m/s时误差接近-1％外，其余声路的误差均可控制在±0.5％附近，此时，8声路双断面的效果要优于9声路单断面。 

因此可以通过仿真来优化声路的布置，进而根据不同的精度要求选用最佳的声路布置方案。 

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (2)

1.基于CFD技术的多声路超声流量计弯管安装的声路优化方法，对不同的声路数量、测量断面数和安装角度进行数值模拟，计算管路截面的平均流量；将不同进口流速计算的管路截面流量进行线性拟合，进行误差修正，确定在声路数量、测量断面数和安装角度不同组合条件下的误差波动范围，选取误差波动范围最小的声路数量、测量断面数和安装角度作为具有与模拟管路特征条件相同的实际管路中流量计安装部位的最优声路布置方案；其特征在于包括以下步骤：

1)由管路情况计算雷诺数、迪安数及边界层厚度；

2)利用三维造型软件对管路及流量计建模，并根据不同的安装角对管路模型与流量计模型进行装配；

3)选取CFD软件，将装配好的模型导入并进行参数设置；

4)模拟不同流速的流场分布，记录入口平均流量，并由Gauss-Jacobi数值积分法计算声路断面流量；

5)将计算的各组声路断面流量与入口平均流量代入误差计算式

$e=\frac{(q_{\mathrm{meas}}-q_{\mathrm{act}})}{q_{\mathrm{act}}}\×100\%=\frac{(V_{\mathrm{meas}}-V_{\mathrm{act}})}{V_{\mathrm{act}}}\×100\%,$ 计算测得流量误差；

其中：q_meas为声路断面平均流量，q_act为入口平均流量，V_meas为声路断面平均流速，V_act为入口平均流速；

6)对计算的各组流量误差进行线性拟合，并根据拟合斜率修正各组误差，筛选在计算流速范围内误差值波动范围最小的一组，以该组的声路断面、声路数和安装角度作为该管路情况的优化声路布置方案。

2.根据权利要求1所述基于CFD技术的多声路超声流量计弯管安装的声路优化方法，其特征在于：所述流量计模型数据全部来源于实测管路标定数据和流量计干式标定数据。

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