CN103759774A - 超声波流量计整流器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波流量计整流器的设计方法。本发明首先构建整流器结构尺寸，并建立超声波流量计测量段的进口面与超声波流量计的整流器对应网格节点，然后提取流体区域，进行网格划分，应用计算流体动力学软件进行流场数值模拟，最后分析整理器对超声波流量计的整流效果。本发明节约时间，减少工作量同时提高了测量准确度。

Description

超声波流量计整流器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种超声波流量计整流器的设计方法。

背景技术

超声波流量计是一种利用超声波来检测流动的流体中流速信息从而测量流量的仪表。超声波流量计由换能器、电子电路流量显示和计算系统三部分组成。超声波换能器将电能与超声波能互相转换，接收穿过流动流体的超声波信号，通过电子电路部分进行积分计算，得出测量流量值。超声波流量计的理想测量条件是流场呈理想分布状态，即流量计测量段进口处流体速度分布均匀。但是在实际工业应用环境中，由于弯管、流量调节阀、压力调节装置等因素的存在，流体中存在各种波动，流场很难达到稳定状态，即流场出现非理想分布状态，从而对超声波流量计的测量准确度产生一定的影响。

在现场工业环境中，通常应用整流器克服各种因素导致流场速度分布不均匀的现象。不同结构的整流器对超声波流量计测量准确度的优化效果不同，如何确定整流器的结构是问题关键所在。CFD数值模拟方法如今已经广泛应用于超声波流量计的整流器结构优化过程中，但是以往的超声波流量计整流器的设计都是先进行结构设计，再应用CFD数值模拟软件进行流体区域提取、网格划分以及数值模拟来确定其整流效果，这大概需要耗费一周时间。如果整流器的整流效果不理想，则需要凭借流体力学理论和工程实践经验相结合进一步进行整流器结构优化，在CFD数值模拟中需要重新进行流体区域提取以及网格划分，这样不仅增加工作量，也耗费较长的时间。

发明内容

本发明的目的是应用虚拟区域法对超声波流量计的整流器进行高效优化结构处理，不仅可以节省整流器结构设计以及优化时间，可以减少在CFD数值仿真中提取流体区域以及网格划分等工作量，并且可以更有效地提高超声波流量计的测量准确度，从而提高超声波流量计在现实应用中的适应性。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1、构建整流器结构尺寸，具体是：

根据流体动力学和工程经验，初步设计出整流器的结构和尺寸，并且整流器是以其边界上的有限数量的离散点具体描述，超声波流量计的其它部分以实体的形式设计。

步骤2、建立超声波流量计测量段的进口面与超声波流量计的整流器对应网格节点，具体是：

应用虚拟区域法中的浸入边界法，在超声波流量计的内流场模拟中，在测量段的进口面的边界上布置与整流器边界上等量的监测点，并且确立它们一一对应关系。

步骤3、提取流体区域，进行网格划分，具体是：

根据虚拟区域法原理，提取除整流器外的超声波流量计中的流体区域，为了数值模拟结果更精确以及有效地减少网格总数，根据超声波流量计的结构将流体区域划分为不同小区域，对其分别进行网格划分，并且网格大小分别选取不同值进行数值模拟，并且验证网格无关性。

步骤4、应用计算流体动力学软件（CFD）进行流场数值模拟，具体是：

超声波流量计的内流场采用有限体积法进行求解，并且采用SIMPLEC算法。整流器对流场的影响是通过虚拟区域方法的浸入边界的处理方法，从而可以能够处理复杂的整流器结构，得出数值仿真结果。

步骤5，分析整理器对超声波流量计的整流效果，具体是：

根据上述数值仿真结果，得出整流器对超声波流量计的整流效果：根据超声波流量计测量段进口截面上的速度分布均匀情况判定，如果进口截面上的速度均一，则可以认为该整流器对超声波流量计的整流效果比较好；如果进口截面上的速度不均一，则整流器效果不好，整流器结构进行调整。具体调整方法如下：求得超声波流量计测量段对射线上线速度平均值，并且得到各点与平均值的差值的百分比，进而根据监测点的一一对应关系，整流器边界点坐标也进行相应比例的调整，从而更新整流器的形状和尺寸，然后再通过CFD仿真评判效果。重复本步骤，直到整流器的效果达到要求为止。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、节约时间，减少工作量。将虚拟区域法应用于整流器优化过程中，根据CFD数值仿真得到的超声波流量计进口面F1上速度分布均一情况，将整流器F2上对应节点坐标进行修改，从而可以减少提出流体区域的过程，即而可以节约时间，减少工作量，更高效地获得超声波流量计的整流器结构优化结果。

2、提高测量准确度及其适用性。应用虚拟区域法有效地对超声波流量计整流器进行结构优化，通过超声波流量计进口面F1上的流场速度分布均一情况可以得知整流器的整流效果，并且均一情况越好则超声波流量计的测量准确度越高，提高超声波流量计在现实工业环境中的适应性。

附图说明

图1为管道和整流器示意图。

图2为整流器边界上的离散节点示意图。

图3为超声波流量计示意图

图4为本发明的整流器结构优化流程图

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做详细的说明：

图1为管道和整流器示意图，让燃气充满如图1所示的整个欧拉网格节点，也就是整个管道，整流器（圆形阴影）的边界效应通过虚拟力施加给燃气，并且圆形的整流器可以简化成如图2所示的其边界上的离散的节点。

上述原理对应的理论方程：

$\frac{\∂u}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{uu}\right)=-\▿p+v{\▿}^{2}u+f$

▽·(u)＝0

附加力是由离散的几项组成，这几项对应于动量方程中相应各项，有其各自物理意义。

f(x_k)＝f_a(x_k)+f_i(x_k)+f_v(x_k)+f_p(x_k)

其中f_a为加速度力,f_i为惯性力,f_v为粘性力,f_p为压力附加力。上述整流器上的附加力通过线性插值将其影响分配到周围燃气中。

图3为超声波流量计结构示意图，其中F1表示超声波流量计测量段的进口面，F2表示超声波流量计的整流器，为了使超声波流量计具有较好的测量准确度，则希望在超声波流量计测量段进口面上的流体速度分布均匀。

图4为本发明的整流器结构优化流程图，首先根据流体动力学和工程经验，初步设计出整流器的结构和尺寸，并且整流器是以其边界上的有限数量的离散点具体描述，超声波流量计的其它部分以实体的形式设计。其次，应用虚拟区域法中的浸入边界法，在超声波流量计的内流场模拟中，在测量段的进口面F1的边界上布置与整流器F2边界上等量的监测点，并且确立它们一一对应关系。第三，根据虚拟区域法原理，提取除整流器外的超声波流量计中的流体区域，为了数值模拟结果更精确以及有效地减少网格总数，根据超声波流量计的结构将流体区域划分为不同小区域，对其分别进行网格划分，并且网格大小分别选取不同值进行数值模拟，并且验证网格无关性。第四，超声波流量计的内流场采用有限体积法进行求解，并且采用SIMPLEC算法。整流器对流场的影响是通过虚拟区域方法的浸入边界的处理方法，从而可以能够处理复杂的整流器结构，得出数值仿真结果。最后，根据上述数值仿真结果，得出整流器对超声波流量计的整流效果：根据超声波流量计测量段进口截面上的速度分布均匀情况判定，如果进口截面上的速度均一，则可以认为该整流器对超声波流量计的整流效果比较好；如果如果进口截面上的速度不均一，则整流器效果不好，整流器结构进行调整。具体调整方法如下：求得超声波流量计测量段对射线上线速度平均值，并且得到各点与平均值的差值的百分比，进而根据监测点的一一对应关系，整流器边界点坐标也进行相应比例的调整，从而更新整流器的形状和尺寸，然后再通过CFD仿真评判效果。重复本步骤，直到整流器的效果达到要求为止。

Claims (1)

1. 超声波流量计整流器的设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、构建整流器结构尺寸，具体是：

根据流体动力学和工程经验，初步设计出整流器的结构和尺寸，并且整流器是以其边界上的有限数量的离散点具体描述，超声波流量计的其它部分以实体的形式设计；

步骤2、建立超声波流量计测量段的进口面与超声波流量计的整流器对应网格节点，具体是：

应用虚拟区域法中的浸入边界法，在超声波流量计的内流场模拟中，在测量段的进口面的边界上布置与整流器边界上等量的监测点，并且确立它们一一对应关系；

步骤3、提取流体区域，进行网格划分，具体是：

根据虚拟区域法原理，提取除整流器外的超声波流量计中的流体区域，为了数值模拟结果更精确以及有效地减少网格总数，根据超声波流量计的结构将流体区域划分为不同小区域，对其分别进行网格划分，并且网格大小分别选取不同值进行数值模拟，并且验证网格无关性；

步骤4、应用计算流体动力学软件进行流场数值模拟，具体是：

超声波流量计的内流场采用有限体积法进行求解，并且采用SIMPLEC算法；整流器对流场的影响是通过虚拟区域方法的浸入边界的处理方法，从而能够处理复杂的整流器结构，得出数值仿真结果；

步骤5，分析整理器对超声波流量计的整流效果，具体是：

根据上述数值仿真结果，得出整流器对超声波流量计的整流效果：根据超声波流量计测量段进口截面上的速度分布均匀情况判定，如果进口截面上的速度均一，则认为该整流器对超声波流量计的整流效果比较好；如果进口截面上的速度不均一，则整流器效果不好，整流器结构进行调整；具体调整方法如下：求得超声波流量计测量段对射线上线速度平均值，并且得到各点与平均值的差值的百分比，进而根据监测点的一一对应关系，整流器边界点坐标也进行相应比例的调整，从而更新整流器的形状和尺寸，然后再通过CFD仿真评判效果；重复本步骤，直到整流器的效果达到要求为止。

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