超聲波流量計在復雜流道中應用的試驗研究

    1　前言

    超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性進(jìn)行流量測量的設備。超聲波流量計具有測流精度高，對流道結構影響小，實(shí)時(shí)性強等特點(diǎn)，因而應用日益廣泛。近年來(lái)，隨著(zhù)南水北調工程等大中型泵站的相繼投入使用，采用漸變等不規則流道的水電站和泵站也要求高精度的流量測試。傳統上常采用的鹽溶液法、五孔探針測流法、流速儀法和壓差法，存在精度差，對流態(tài)影響大等缺點(diǎn)。而超聲波流量計雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是其對流道要求比較高，一般應用于圓形、矩形、梯形等較規則斷面的流道，并且要求傳感器前后有一定長(cháng)度的直管段，因而限制了其使用范圍。

    淮安第三抽水站位于淮安市楚州區南郊，京杭大運河淮安船閘東側，裝有32GWN-42型葉輪直徑為3.19m的燈泡貫流式定漿水泵機組2臺套，設計抽水揚程4.2m，設計總抽水量66m3/s，總裝機容量3400kW，是江水北調的第二級抽水站之一，也是南水北調東線(xiàn)工程的重要環(huán)節之一。在開(kāi)展淮安第三抽水站2號機組的能量試驗時(shí)，由于其進(jìn)水斷面由方變圓，后部流道變?yōu)閳A臺并連接燈泡體的不規則斷面(見(jiàn)圖1)，不滿(mǎn)足美國AC2CUSONIC公司生產(chǎn)的Model7510型超聲波流量計測量的要求。為了能夠更加準確的測量流量，減少誤差，因此進(jìn)行淮安第三抽水站2號機組進(jìn)水流道的模型試驗。通過(guò)模型試驗，尋求一種測量方式，使Model7510型超聲波流量計在該型流道中能夠輸出準確的流量值，同時(shí)也為其它復雜流道的泵站的流量測量提供了一個(gè)新的方法和借鑒。

圖1 淮安三站1剖面示意

    2 試驗裝置及試驗方法

    2.1 通過(guò)CFD對試驗模型的簡(jiǎn)化

    由于淮安三站2號機組進(jìn)水流道形狀復雜，且含有燈泡體，如果完全由試驗來(lái)模擬，將會(huì )使試驗變得異常復雜，因此，首先使用CFD軟件FLU2ENT分別對有燈泡體和無(wú)燈泡體時(shí)的流道進(jìn)行數模計算，對兩種情況下的流態(tài)進(jìn)行模擬。得到的無(wú)燈泡體和有燈泡體時(shí)的速度云圖如圖2所示。

    由圖2可以看到，燈泡體對其附近的流態(tài)影響較大，而對遠離它的流態(tài)影響非常小。根據FLUENT輸出的結果分析，圖中2(b)第2條曲線(xiàn)左邊的流道，在有無(wú)燈泡體時(shí)流態(tài)基本相同。在此線(xiàn)以左安裝傳感器，在有燈泡體時(shí)和無(wú)燈泡體時(shí)將得到基本相同的結果。因此，可以對流道的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將傳感器安裝在上述分界線(xiàn)左側，只對燈泡體前面的流道進(jìn)行模擬，其結果將會(huì )和有燈泡體和轉輪時(shí)相同。

    2.2 試驗方案

(a)無(wú)燈泡體

(b)有燈泡體

圖2　無(wú)燈泡體和有燈泡體時(shí)的速度示意

    根據試驗臺的實(shí)際情況，考慮傳感器的測量范圍，依據力學(xué)相似準則，確定了線(xiàn)性比例尺δ為10，速度比例尺δv為4.5。制作流道模型。由于進(jìn)水流道長(cháng)度短，且斷面不規則，流態(tài)復雜，傳統的單層或者多層布置方式難以應用，因此采用新的布置方式，采用每?jì)蓷l聲路交叉布置成一個(gè)聲路平面，4個(gè)聲路平面分別與水平面成±18°和±54°的方式。各聲路均過(guò)流道中心線(xiàn)的同一點(diǎn)。各聲路與流道中軸線(xiàn)之間的夾角為49°。超聲波傳感器的具體安裝位置及幾何尺寸如圖3所示。

圖3　測量點(diǎn)布置位置與尺寸

    按照上述安裝方法安裝流速傳感器。分別組成1A-1B，2A-2B，3A-3B，4A-4B，5A-5B，6A-6B，7A-7B，8A-8B共8條聲路。其中1A-1B與8A-8B，2A-2B與7A-7B，3A-3B與6A-6B，4A-4B與5A-5B為交叉布置，共4對交叉聲路。采用此種布置方式，實(shí)際上是傳統的單層聲路測量方式的改進(jìn)[8]，即將4個(gè)單層聲路以不同角度布置在管路中，通過(guò)取各聲路所測數據平均值的方式，減小流態(tài)不穩定對測量帶來(lái)的誤差。為減小誤差，在超聲波傳感器安裝完畢后對各傳感器之間的距離和角度重新進(jìn)行測量，并記錄測量數據。確認傳感器的位置以保證試驗時(shí)其位置不改變。檢查整個(gè)試驗臺氣密性，給試驗臺充水，并排出其中的殘留空氣。測量水溫，輸入數據采集計算機。在調試各傳感器正常工作后，開(kāi)始試驗。試驗臺如圖4所示。

(a)　正視圖

(b)　俯視圖

圖4　試驗臺

    依照比例系數從模型的最大流量和最小流量之間分別取8種大小不同的流量(其中包含設計流量)進(jìn)行試驗。每次調整流量后等待數分鐘，待到試驗臺電磁流量計數值穩定后，每隔30s從電磁流量計中讀取流量并做記錄，與此同時(shí)超聲波流速傳感器會(huì )每隔1s自動(dòng)采集所在聲道的流速，每個(gè)流量下采集90s。

    3 試驗數據及分析

    通過(guò)觀(guān)察傳感器自動(dòng)采集的數據，可以看到每個(gè)聲路在不同時(shí)間內測得的流速差距極大。取90s內的各聲路流速的平均值，得到穩態(tài)時(shí)的平均速度。為了消除橫流誤差對測量的影響，對每對交叉聲路測得的流速取平均值[7]。同時(shí)為了減小誤差，對4對交叉聲路所測的平均流速再取平均值。也就是說(shuō)在計算時(shí)不同的聲路取同一權重，為0.125，即取各聲路的平均流速為斷面平均流速。

    然后將從電磁流量計中讀出的流量取平均值，作為準確的流量值。每次試驗中的流量與流速之間的比值，即為平均流速所在斷面的面積，也即流量與流速之間的比例關(guān)系。各流量下的平均流速，平均流量以及計算所得的平均斷面如表1所示。

    將不同流量下的各試驗所得平均斷面取平均值，為0.137519m²，此值即為此種超聲波傳感器布置方式下的平均斷面。也即流量與平均流速間的比例關(guān)系。

表1　各流量下的平均斷面面積

    根據試驗裝置的尺寸，平均斷面面積與聲路交點(diǎn)所在斷面的面積分別為0.137519m²和0.13828m²，考慮試驗可能帶來(lái)的誤差，以及為了試驗測量方便，選取聲路交點(diǎn)斷面為計算斷面。斷面半徑為0.2098m，面積為0.13828m²。即，該種安裝方式下流量計算式為：

    式中

    A———計算斷面面積，m²，取A=0.13828m²

    v———流速，m²/s

    以此斷面分別與各平均流速相乘得到的流量以及與實(shí)測流量間的誤差如表2所示。

表2 計算流量與實(shí)測流量對比

    由表2可見(jiàn)，在常用各流量下，除在極小的流量下，試驗誤差全部在2%以?xún)�，且在額定流量附近誤差較小，為1.17%，滿(mǎn)足精度要求。

    4 誤差分析

    在試驗中，誤差主要分為隨機誤差和系統誤差。

    試驗中的隨機誤差主要由流道條件造成。由于該泵站進(jìn)水流道極其復雜，且前后缺少足夠長(cháng)的直管段(裝置前大于等于10D，裝置后大于等于5D，其中D為直徑)，造成模擬流道內流態(tài)紊亂，測量數據有一定的波動(dòng)，給試驗帶來(lái)誤差。

    系統誤差是由某種固定的原因造成的，使測定結果系統偏高或偏低。當重復進(jìn)行測量時(shí)，它會(huì )重復出現。系統誤差的大小、正負是可以測定的，至少從理論上來(lái)說(shuō)是可以測定的，所以又稱(chēng)可測誤差。系統誤差的最重要的特性，是誤差具有“單向性”。本試驗系統誤差主要有以下幾種：

    (1)聲路長(cháng)度造成的誤差。從式中看到，流速與聲路長(cháng)度成正比，由于試驗裝置內的幾何尺寸由鋼尺測量，由此引起的誤差可保持在0.2%以?xún)取?/P>

    (2)聲路角造成的誤差。流速與聲路角的余弦成反比。在交叉聲路安裝方式中，該誤差是可忽略的。

    (3)橫流誤差。當流線(xiàn)方向與軸線(xiàn)不平行時(shí)，流速會(huì )產(chǎn)生分量，對超聲波測速器帶來(lái)測量誤差。采用交叉聲路布置，可以有效減小這種誤差。

    5 結論

    (1)FLUENT數值模擬計算表明，不考慮燈泡體和轉輪，只對燈泡體前面的進(jìn)水流道進(jìn)行模擬，與考慮有燈泡體和轉輪時(shí)的結果基本相同。通過(guò)數模計算，確定了超聲波傳感器的安裝位置；

    (2)物理模型試驗表明，在此種傳感器安裝方式下，各聲路的權重均為0.125，測量時(shí)取各聲路測得流速的平均值。以此權重計算得到在模型試驗中各傳感器所測得的平均流速與實(shí)際流量間的比例關(guān)系，為0.137519；物理模型流量計算斷面的半徑為0.209m的斷面，即聲路與流道交點(diǎn)所在斷面。根據幾何相似關(guān)系，在現場(chǎng)測試中取斷面半徑為2.09m的斷面；

    (3)除極小流量工況外，其余工況下實(shí)測流量誤差均在2%以?xún)�，在額定工況附近誤差為1.17%，滿(mǎn)足實(shí)際需求，說(shuō)明該測量方式可行；

    (4)提出并驗證了超聲波流量計在不規則流道中新的應用方式，同時(shí)也為其它復雜流道中的應用提供了新的方法和借鑒。