用CFX軟件對超聲波燃氣表氣體流道仿真研究

翟義然，趙　勇，胡小川，劉　勛，劉　義，張　彬

（1.四川大學電子信息學院，四川 成都 610065；2.成都千嘉科技有限公司，四川 成都 610211）

用CFX軟件對超聲波燃氣表氣體流道仿真研究

翟義然1，2，趙勇2，胡小川1，劉勛2，劉義2，張彬1

（1.四川大學電子信息學院，四川 成都 610065；2.成都千嘉科技有限公司，四川 成都 610211）

針對超聲波燃氣表的原參考設計流道和新改進設計流道的氣體流動特性，利用流體動力學仿真軟件ANSYS中的CFX軟件進行仿真計算和分析。獲得在9個不同的流量點上兩種超聲波燃氣表的流道內氣體流動仿真數據，包括兩種流道的整體流道內及超聲波測量流道部分斜截面的氣體流動速度分布。對仿真結果分析顯示，兩種流道在性能上基本一致，但新改進流道在大流量和中流量上氣體流動速度分布性能比原參考設計流道性能更好；另外，與整體流道內氣體流動速度分布相比，氣體流動速度在超聲波測量斜截面分布相對更均勻和穩定。對采用新改進流道設計制造的超聲波燃氣表樣機進行測試，準確度達到設計要求，且樣機的測量誤差穩定。

超聲波；氣體流速；CFX仿真；燃氣表

0　引　言

超聲波燃氣表的工作原理是利用超聲波傳播速度受燃氣流動速度的影響來計量燃氣的體流量［1-2］。基于超聲波測量的超聲波燃氣表具有體積小、質量輕、壓損小、無機械部分不受機械磨損影響、計量準確度高，以及可實現階梯計價和方便數據遠傳等優點。因此，超聲波燃氣表替代現在廣泛使用的膜式燃氣表將成為一種必然。目前，歐美和日本已經研制出用于居民燃氣計量的家用超聲波燃氣表，并開始推廣應用。我國的一些科研院所和相關企業也在開展超聲波燃氣表的研發工作［2］。

超聲波燃氣表的表體結構設計決定著表內燃氣流動特性，而燃氣流動的穩定性直接影響到超聲波燃氣計量準確度，實際工程設計應用中對設計者經驗和產品實驗有很大的依賴性，其設計周期長、成本高。近年來，計算流體動力學CFD軟件在實際工業設計中得到廣泛應用，利用CFD各種流體模型在設計階段進行仿真，研究結構性能，可在結構加工前使研究對象的速度場清晰直觀地顯示出來，因此，CFD仿真是一種理想的表體結構設計分析手段，可以縮短設計驗證時間，提高工作效率［3-6］。ANSYS的CFX軟件是一款重要的CFD軟件，在過去20年被廣泛應用于分析流體流動問題［7-8］。利用CFX軟件可進行燃燒、多相流、化學反應等復雜流場的仿真分析，廣泛用于航空航天、旋轉機械、能源、汽車、電子、生物技術、水處理、防火安全、冶金、環保等領域。

家用超聲波燃氣表的原參考設計中入口處流道過窄，不方便安裝開關閥門，而未來的家用超聲波燃氣表會因為運行安全控制、電源和預付費等原因，必須安裝開關閥門。因此，在原參考設計基礎上，改進設計了一款新超聲波燃氣表流道，主要是增加了垂直流道部分的空間［9］。因此，有必要對原參考流道和設計的新改進流道進行氣體流動性能仿真研究，以確保新改進流道性能達到原參考流道性能要求。應用ANSYS 15.0中的CFX軟件對燃氣表流道內部氣體流動特性進行仿真分析［10］，模擬兩種流道在不同流量點下的氣體流動，并對兩種流道的整體流道內氣體流動和超聲波測量斜截面上氣體流動進行對比研究。

1　模型建立

1.1氣體流道模型建立

CFX軟件的內部程序是利用計算機對流體的守恒控制偏微分方程組進行求解，進而得到流場連續域上的離散分布情況，并對其流動特性進行模擬［7］。通過CFX仿真分析可以模擬氣體流場的變化，并在較短的時間內準確預測流場的性能，進而通過改變流道結構設計參數，獲得更佳的流動效果和測量性能。

通常采用Navier_Stokes（N-S）方程建立數學模型來模擬宏觀條件下的氣體流動特性［11］。N-S方程包含有3個偏微分方程：連續性方程、動量方程和能量方程［4］。這些方程在離散化之后可以求出數值近似解。模擬仿真以N-S方程作為數值計算的控制方程組，采用k-ε湍流模型，對超聲波燃氣表內氣體的流動過程進行仿真計算。

超聲波燃氣表的內部流道結構采用CAD軟件生成，腔體內的下方部位設計有一段相對狹窄的長方體多層流道結構，可以使氣體流動更加穩定，超聲波就在該段流道測量氣體流動速度。

1.2網格劃分

在Workbench中導入由CAD生成的超聲波燃氣表氣體流道結構圖，采用自動網格劃分方法對整體流道進行網格化。網格化后的原參考流道內部結構如圖1（a）所示，共得到136059個節點和724740個四面體。新改進的流道內部結構如圖1（b）所示，共得到133 280個節點和710817個四面體，z軸方向向內。從劃分的網格結構圖中可以看出，在內部結構的轉角處和多層流道結構部分網格劃分相對更細密，而多層流道結構部分是本研究的重點，通過仿真計算可以得到超聲測量部位的氣體流動速度分布。

圖1　整體氣體流道網格劃分和斜截面示意圖

2　仿真分析

2.1模型建立和邊界條件設定

假設超聲波燃氣表內流動的為理想氣體。設置流道的入口和出口面，如圖1所示，其他全為固體壁面。仿真模型中的氣體從入口流入，從出口流出。針對本設計中超聲波燃氣表測量的有效測量范圍，選擇9個典型流量點進行氣體流動速度仿真，包括3個大流量、3個中流量和3個小流量，分別為6，4，2.5m3/h；1.2，0.8，0.5m3/h；0.04，0.025，0.016m3/h。仿真時根據某一個流量和出口或入口面積計算并設置相應的氣體流動速度。

2.2求解控制

設置收斂條件為RMS=0.0001，最大收斂迭代步數為300。

3　結果分析

3.1整體流道氣體流動分析

首先選取流量點6m3/h，對原參考流道和新改進流道分別獲得整個流道在z=0.0的xy軸向截面。原參考流道截面由11010個三角片組成，三角片上氣體流動速度的最大值（Max）為14.49m/s，最小值（Min）為0.04 m/s；新改進流道的該截面由10 811個三角片組成，三角片上氣體流動速度的Max為14.35m/s，Min為0.06m/s，截面內氣體流動速度分布分別如圖2所示。可見整體流道內氣體流動速度分布變化范圍比較大，而參考流道和新改進流道內氣體整體流動速度分布情況類似。在多層流道部分氣體流動速度相對更快，但氣體流動速度分布較為均勻穩定。根據超聲波測量理論可知，均勻穩定的氣流有利于用超聲波準確測量氣體流動速度。

圖2　原參考流道和新改進流道整體氣體流道中xy軸向截面上氣體流動速度分布

進一步選取由大到小的9個流量點對整體流道空間進行仿真。分別獲取原參考流道和新改進流道在不同氣體流動速度下的整體流道氣體流動速度的平均值（Mean）、標準方差（Std）、Max和Min，結果如表1所示。

表1　原參考流道和新改進流道的整體流道在9個流量點的氣體流動速度仿真結果

將原參考流道和新改進流道仿真結果中整體流道內氣體流動速度的Mean繪制成曲線，并在具體流量點上繪制出對應的Std。得到兩種流道的整體流道內氣體流動速度Mean和Std曲線如圖3所示。

3.2超聲波測量斜截面的氣體流動速度分析

超聲波測量的多層流道內氣體流動特性是本研究的重點，在圖1（b）中箭頭A的方向獲得多層流道部分的一個xz軸向截面，該截面如圖1（c）所示。兩個超聲波測量傳感器安裝在圖中所示的位置，因此，進一步在多層流道上得到一個斜截面如圖1（d）所示，原參考流道和新改進流道的斜截面分別被網格自動劃分為180個和183個三角片單元。

在9個流量點獲得的仿真結果如表2所示。將原參考流道和新改進流道氣體流動速度Mean分別繪制曲線，并在每個流量點上繪制出對應的Std，得到兩種流道超聲波測量斜截面氣體流動速度分布Mean和Std曲線如圖3所示。

圖3　原參考流道和新改進流道在整體流道內和超聲波測量斜截面上氣體流動速度Mean和Std曲線

表2　原參考流道和新改進流道在超聲測量斜截面的9流量點的氣體流動速度仿真結果

在9個流量點分別仿真得到兩種流道的超聲波測量斜截面氣體流動速度分布，圖4（a）和圖4（b）分別為原參考流道和新改進流道在流量點6，1.2，0.04m3/h時的各斜截面氣體流動速度分布圖。可以看出，超聲波測量斜截面內氣體流動速度變化范圍不大，并且，新改進流道斜截面氣體流動速度分布范圍變窄。

圖4　原參考流道和新改進流道在3個不同流量點的斜截面上氣體流動速度分布

從表1、表2中可以看出，兩種流道在仿真氣體流動速度的Mean、Std、Max和Min等參數上基本一致，能保證設計的新改進流道與原來超聲波測量電子器件部分相匹配。進一步對比表1中原參考流道和新改進流道的整體流道仿真結果可以發現，在大流量和中流量時，即6～0.5m3/h 6個流量點，新改進流道的整體流道內氣體流動Mean在大于0.5 m3/h時全部下降，Std和Max全部下降，Min有升有降，但變化相對很小。而對于小流量點0.04～0.016m3/h，Mean、Std、Max和Min基本保持不變，或者變化很小。再對比表2中原參考流道和新改進流道的超聲測量斜截面仿真結果同樣可以發現，在大流量和中流量情況下，即6～0.5m3/h 6個流量點，新改進流道的超聲測量斜截面上Mean略有升降；Std除了在6.0 m3/h略有上升，其余部分均下降；Max除了在0.8 m3/h時略有上升外，其余部分均下降；而Min則全部有所上升。而對小流量點0.04～0.016 m3/h，新改進流道與原參考流道相比，仿真結果Mean、Std、Max和Min基本保持不變或變化很小。上述對比結果說明，與原參考流道相比，在大流量和中流量點時，新改進流道在整體流道和超聲測量部分流道氣體流動速度分布范圍基本上變得更小，說明氣體流動更為穩定，這有助于超聲波在大流量和中流量時更準確測量氣體流動速度；而小流量部分兩種流道仿真數據基本一致。

在各個流量點，超聲波測量的斜截面上的氣體流動速度與整體流道內的氣體流動速度相比，平均氣體流動速度更高，而相對應的氣體流動速度Max和Min更接近平均氣體流動速度，Std更小，即氣體流動速度變化范圍更小。該結論同樣也可以從圖3中整體流道內和超聲波測量斜截面上氣體流動速度分布Mean和Std曲線得到。因此，超聲波測量的多層流道內氣體流動相對整體流道更加平穩，從而為超聲波的準確測量提供了更好的條件。

3.3采用新改進流道設計樣機實際測試結果

采用新改進流道設計結構做出一款超聲波燃氣表樣機，在環境溫度為20.5℃，濕度76%RH條件下進行兩次測試，在9個流量點的測試結果如表3所示。實際樣機測試結果滿足大流量和中流量點誤差＜1.5%和小流量點誤差＜3%的1.5級超聲波燃氣表的設計要求。而且對比實驗結果可以看出超聲波燃氣表樣機的兩次測量誤差穩定。

表3　用新改進流道設計的超聲波燃氣表樣機測試結果

4　結束語

對比原來參考設計的和新改進設計的兩種超聲波燃氣表內部結構，用ANSYS的CFX仿真軟件進行了氣體流體力學仿真研究，對原參考流道和新改進流道分別獲得了整體流道的和超聲波測量斜截面的氣體流動速度分布數據。數據分析結果顯示，新改進流道與原參考流道的氣體流動性能基本一致，并且新改進流道在大流量和中流量時能獲得更加平穩的氣體流動速度。對采用新改進流道設計制造的超聲波燃氣表樣機初步測試，結果顯示在9個流量點都能滿足設計準確度要求，而且兩次測量的誤差值相差不大，測量結果穩定。相關研究成果為改進超聲波燃氣表的內部氣體流道結構設計提供一定的理論依據，也可為提高超聲波氣體測量的穩定度和準確性提供一定的保障。

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（編輯：李妮）

Simulation study of gas flowing channel of ultrasonic gas meter based on CFX software

ZHAI Yiran1，2，ZHAO Yong2，HU Xiaochuan1，LIU Xun2，LIU Yi2，ZHANG Bin1
（1.College of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Chengdu Qianjia Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610211，China）

The gas fluid dynamics of an originally suggested flowing channel and an improved flowing channel were simulated by the CFX software of ANSYS.Gas flowing velocities at 9 typical flow points were calculated and analyzed，including the gas velocity distribution of both the whole flowing channel and the oblique section of ultrasonic measurement.The simulation results indicate that the two channels are almost the same in performance.But the improved channel is better in gas velocity distribution at maximal and middle flowing points.Moreover，the simulation results show that，compared with the gas velocity distribution inside the whole channel，the oblique section where ultrasonic wave passes through is more uniform and stable.The test accuracy of an ultrasonic gas meter，a prototype with the improved flowing channel meets the design requirements and the measuring error is stable.

ultrasonic；gas velocity；CFX simulation；gas meter

A

1674-5124（2016）05-0135-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.028

2015-11-17；

2015-12-12

翟義然（1973-），男，河北承德市人，高級工程師，博士，主要從事信息與信號處理方面的研究。