CN118190095A - 一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声水表技术领域，公开了一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场设计，包括流量稳定计量区域、整流过渡区域、直管段区域；流量稳定计量区域的两端各连接一个整流过渡区域；两个整流过渡区域的另一端各连接一个直管段区域。本发明将超声水表流道主要分为流量稳定计量区域、整流过渡区域，利用维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面实现未收缩的直管段区域与流量稳定计量区域间的平滑渐缩与曲率连续过渡，通过引入整流过渡区域长度、流量稳定计量区域截面径向高度、流线型整流叶片、导流通道这4个自由度，使超声水表兼具压力损失小及抗流体扰动能力强的优势，从而实现了低输水能耗和精确的流量计量。
Description
本申请是分案申请，原申请《一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场设计》的申请号是202311376647X、申请日是2023-10-24，原申请的内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及超声水表技术领域，尤其涉及一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场。
背景技术
超声水表利用超声波渡越时间法，经过计量算法对超声信号处理得出顺逆流时间差，实现流量准确计量，其具有始动流量低，高量程比，计量精度高等优点。若超声水表上下游存在弯管或阀门会造成流体扰动产生旋转流场或不均匀流场，影响超声信号采集区域，即计量区域的流场稳定性，产生计量误差。为获得准确的流量计量，一般在水表入/出水口放置整流器或缩小计量区域的管段截面积，这导致产生较大的压力损失，增加输水能耗。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场，在减小压力损失的同时还拥有较高的抗流体扰动能力，实现了低输水能耗和精确的流量计量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场，包括流量稳定计量区域、整流过渡区域、直管段区域。
流量稳定计量区域的两端各连接一个整流过渡区域；两个整流过渡区域的另一端各连接一个直管段区域。
优选地，所述流量稳定计量区域的纵截面形状采用矩形或矩形、梯形与弧形组合形成的形状。
纵截面截面积根据流体力学中不可压缩流体的连续性方程及超声水表量程比确定。
优选地，所述整流过渡区域内采用维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面，实现直管段区域与流量稳定计量区域间的平滑渐缩与曲率连续过渡。
优选地，所述维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面上放置用于减小压力损失、抗扰流的流线型整流叶片。
所述维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面上放置用于减小压力损失和抗扰流的导流通道。
优选地，可通过调整整流过渡区域长度与流量稳定计量区域截面径向高度来调节超声水表流场的压损与抗流体扰动性能。
本发明的有益技术效果：将超声水表流道主要分为流量稳定计量区域、整流过渡区域，利用维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面实现未收缩的直管段区域与流量稳定计量区域间的平滑渐缩与曲率连续过渡，通过引入整流过渡区域长度、流量稳定计量区域截面径向高度、流线型整流叶片、导流通道这4个自由度，使超声水表兼具压力损失小及抗流体扰动能力强的优势，从而实现了低输水能耗和精确的流量计量。
附图说明
图1为本发明实施例中超声水表流场结构三维示意图。
图2为本发明实施例中超声水表流场结构主视剖视图。
图3为本发明实施例中超声水表流场结构侧视剖视图。
图4为本发明实施例中超声水表流场结构俯视剖视图。
图5为本发明所述维托辛斯基曲线。
图6为本发明实施例中超声水表流场壁面压力分布云图。
图7为本发明实施例中半部分超声水表流场结构三维透视图。
附图标号：10为流量稳定计量区域，20为整流过渡区域，30为直管段区域，201、202、203为维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面，204、205为流线型整流叶片，206为导流通道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例：如图1所示，一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场，包括超声水表流体域，主要分为流量稳定计量区域10，整流过渡区域20和直管段区域30。
根据不同量程比需求，结合流体力学中不可压缩流体的连续性方程，确定流量稳定计量区域截面积，所述流量稳定计量区域10，采用矩形、梯形与弧形组合形成的形状，其中对矩形倒角，截面积为106.4mm2，满足超声水表量程比R500计量要求。
根据流量稳定计量区域10与直管段区域30之间径向高度差确定整流过渡区域20，如图2、4所示，整流过渡区域20中的过渡曲面采用维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面201、202、203实现直管段区域30与流量稳定计量截面区域10平滑渐缩与曲率连续过渡，具有低压力损失过渡与降低流场脉动的功能。
如图5所示，所述维托辛斯基曲线方程式如下。
式中：r1表示为收缩前截面半径，r2表示流量稳定计量区域10截面径向高度，L表示过渡曲面长度，r表示截面半径，l表示收缩长度。
本实施例中，维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面201参数为：L＝6.12mm，r1＝6.87mm，r2＝5.37mm；过渡曲面202参数为：L＝21mm，r1＝7.5mm，r2＝0.28mm；过渡曲面203参数为：L＝7.5mm，r1＝7.5mm，r2＝4mm。
如图3所示，所述维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面201、202上放置具有抗旋转扰流功能的整流叶片204、205，及具有降低压损与抗扰流的导流通道206。流线形叶片204高度最大值约为1.1mm，流线型叶片高度205最大值约为7mm；导流通道206槽深约1.2mm，宽约2.34mm。
如图7所示为压力损失小、抗流体扰动性强的半部分超声水表流场三维结构透视图，所述超声水表流场三维结构为轴对称结构。
进一步地，利用Comsol Multiphysics多物理场仿真仿真软件“CFD模块”，采用工业中常用湍流模型“k-ε模型”，采用图7所示结构的全部分流场模型，设置模型入水口流量2.5L/h，对应入口速度3.94m/s，出水口总压力为一个大气压，仿真计算壁面压力布云图。
进一步地，所述入水口流量根据国标GBT 778.1-2018饮用冷水水表和热水水表压力损失试验规定确定。
如图5所示，维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面202有无导流通道206压力对比，存在导流通道206壁面压力较小，由于导流通道206的存在，降低了过渡曲面对水流产生的阻力。
进一步地，计算图5中，两中模型下，入水口与出水口截面平均压力，两者相减得出压力损失，未有导流通道206，压力损失为25.8kPa,存在导流通道206，压力损失为22kPa。
进一步地，根据国标GBT 778.1-2018饮用冷水水表和热水水表中压力损失试验测试规定，在流量2.5L/h条件下测得存在导流通道206的流道模型压力损失23kPa。该实施例与同类产品相比具有较小的压力损失。
进一步地，根据国标GBT 778.1-2018饮用冷水水表和热水水表流体扰动试验，流场敏感度等级U0D0规定的实验设置形式，在流量2.5L/h条件下，测试图一流道结构，未扰流与加入扰流器后两者k系数偏差率。
进一步地，k＝Q/Δt，其中Q表示实验过程中水流量，由称重法得出，Δt表示超声水表上下游接收信号传播时间差。
表1扰流偏差率结果，
| 扰流类型 | 前置右旋 | 后置右旋 | 前置速度剖面 | 后置速度剖面 |
| 偏差率(％) | 0.7 | 0.26 | 0.67 | 0.4 |
如表1所示，偏差率结果小于国标GBT 778.1-2018饮用冷水水表中，附录C流体扰动试验试验判据，误差不超过最大允许误差±2％。因此该超声水表流道实施例具有高抗流体扰动能力。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
Claims (2)
1.一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场，其特征在于，包括流量稳定计量区域(10)、整流过渡区域(20)、直管段区域(30)；
流量稳定计量区域(10)的两端各连接一个整流过渡区域(20)；两个整流过渡区域(20)的另一端各连接一个直管段区域(30)；
流量稳定计量区域(10)的纵截面形状采用矩形或矩形、梯形与弧形组合形成的形状；
纵截面截面积根据流体力学中不可压缩流体的连续性方程及超声水表量程比确定；
整流过渡区域(20)内采用三段维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面(201、202、203)，实现直管段区域(30)与流量稳定计量区域(10)间的平滑渐缩与曲率连续过渡；
通过第二维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面(202)实现流量稳定计量区域(10)与直管段区域(30)下部的平滑渐缩与曲率连续过渡；通过第三维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面(203)实现流量稳定计量区域(10)与直管段区域(30)左右两侧部分的平滑渐缩与曲率连续过渡；通过第一维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面(201)实现流量稳定计量区域(10)与直管段区域(30)上部的平滑渐缩与曲率连续过渡；
为减小压力损失、抗扰流，所述第一维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面(201)上设有凹陷的第一流线型整流叶片(204)，所述第二维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面(202)上设有凸起的第二流线型整流叶片(205)；
所述第二维托辛斯基曲线形水平拉伸曲面(202)上设置两条用于减小压力损失和抗扰流的凹型导流通道(206)。
2.根据权利要求1所述的一种压力损失小、抗流体扰动性强的超声水表流场，其特征在于，可通过调整整流过渡区域(20)长度与流量稳定计量区域(10)截面径向高度来调节超声水表流场的压损与抗流体扰动性能。
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