基于CFD的超聲波氣體流量計過渡區內流場檢測優化研究

邵 欣，王 濤，高蘆寶，李玉川，韓思奇

(1. 天津中德應用技術大學智能制造學院，天津 300350; 2. 天津現代職業技術學院，天津 300350;3. 天津理工大學電氣電子工程學院，天津 300384)

0 引 言

在全球綠色經濟的發展推動下，天然氣作為優質高效的低碳能源，其需求量與日俱增，預計2024年，天然氣消費量將超過4.3萬億立方米。近年來我國穩步推進能源消費改革，構建安全清潔的現代化能源體系[1]。2017年，國家推行煤改氣政策，2019年與俄羅斯簽署天然氣輸送協議，每年進口1.3萬億立方米天然氣，以滿足國內的供應缺口。因此，天然氣管網需有高精度的流量計裝置為天然氣貿易結算提供計量依據[2]。

當前國內城市管網常用的氣體流量計有渦輪、羅茨以及超聲波流量計3種，與前兩種流量計相比，超聲波氣體流量計由于沒有內置阻流件、壓損低、量程比高等優勢，在天然氣貿易測量系統中占據明顯優勢[3-4]。但其測量精度受流場分布影響較大，管道粗糙度、上游阻流件結構以及流體湍動程度等都會造成流量計聲道線上的速度分布不均勻，從而出現誤差[5]。

針對上述問題，國內外學者利用不同研究方法做了大量工作。在聲道結構和算法方面，Qin[6]通過構建精確氣體流場模型的方式提高了超聲波流量計的測量精度，并為此設計了多聲道實驗裝置對氣體在管道中的流場分布進行測量；Zhao[7]利用CFD軟件對方管內流體的分布進行了仿真，以研究雙聲道超聲波流量計的換能器安裝位置、安裝方向以及管道長度對流量測量的影響；Liu[8]針對管件連接對流場的影響，基于CFD方法建立了流場的紊流模型進行仿真，獲得了天然氣在經過管件連接處之后的流場分布情況，并給出了超聲波流量計安裝要求。聲道結構和算法的優化普遍應用于特定狀態下的管道結構，有一定的局限性，通過設計整流器來穩定不規則流場并減弱渦流是提高流量計檢測精度的有效方法[9]。

整流器按照類型分為葉片式、孔板式、組合式結構，目前國內外應用最為廣泛的整流器包括葉片式的Etoile整流器以及孔板式的Laws整流器、NEL整流器等[10-11]。當前整流器的設計主要是對雷諾數較高的湍流流場進行修正，而氣體處于層流和湍流之間的轉捩過渡區內的研究很少。轉捩過渡區內的邊界層轉捩處于強非線性階段，伴隨出現大量相干渦結構，以及大量小渦結構形成和隨機無序化過程[12-13]。實際城市管網輸運中，管道內天然氣流動狀態大多處于轉捩區以及低湍流區，因此，本研究分析過渡區內的氣體流動狀態和邊界層轉捩的產生機制和變化規律，并對當前常用的整流器進行優化，能夠有效提高超聲波氣體流量計在近湍流尺度下的測量精度。

1 理論基礎

1.1 超聲波流量計

雙聲道超聲波流量計的測量原理圖如圖1所示。

圖1 氣體超聲波流量計測量原理圖

根據時差法的測量原理，通過測量超聲波在管道內流場的順流、逆流響應時間，得出流量計聲道平均線速度VL(m/s)和管道面速度Vm(m/s)，進而推導超聲波流量計的測量相對誤差E(%)如下[14-15]：

1.2 轉捩過渡區

層流向湍流轉換過程中會出現大量相干渦結構，如發卡渦、環狀渦等，這是轉捩過渡區突出的特點，經過大量小渦結構的形成和隨機的無序化過程，層流逐漸轉變為完全發展湍流。圖2中的(a)～(c)分別為層流 (Re=1800)、過渡區 (Re=3500)、湍流狀態(Re=20000)下管道內渦流的螺旋度(H)分布情況。可以明顯看出，在湍流階段渦流主要集中于管道中心處，而過渡區階段渦流分布在近管壁處。

圖2 管道內渦流螺旋度分布圖

1.3 整流器設計

當前市場中常用的Zanker整流器是5層節圓、32孔構成的多孔板結構，流體通過孔板的整流作用使管道截面速度分布更加均勻。但Zanker正流體不同節圓處孔徑大小不同，孔分布位置近管壁處稀疏，過渡區邊界層處渦流消除作用較弱。

本研究對Zanker整流器結構進行優化，綜合考慮壓損、加工成本等因素，設計一種多等徑圓孔、近壁面節圓處孔分布稠密的結構，其結構和示意圖如圖3和表1所示。

圖3 優化整流器結構示意圖

表1 整流器結構設計

2 仿真計算

2.1 物理模型

為研究圓管過渡區近壁面渦流對超聲波流量計的測量精度影響，建立由上游阻流件、緩沖直管、整流器、下游直管構成的測試系統。上游阻流件選擇工程上最常見的90°單彎頭，其中彎管與整流器距離5D，管徑D=40 mm，物理模型通過DM軟件繪制，其示意圖如圖4所示。

圖4 管道模型示意圖

利用ANSYS中的Meshing軟件進行網格劃分，單彎管、整流器采用三維結構化網格，并進行局部加密處理；距壁面的無量綱量y+設置為40；緩沖直管以及下游直管段采用非結構性網格劃分，如圖5所示。

圖5 網格劃分示意圖

為保證網格劃分質量，進行網格無關性驗證。采用相同網格劃分方式，網格數量控制在80萬、110萬、130萬、160萬，改變流動條件對比網格尺寸對于計算精度的影響，發現網格總數高于110萬后，模擬結果受網格密度影響較小，考慮到計算速度，本研究網格數量確定為110萬。

2.2 邊界條件設置

管道入口為速度入口條件（velocity-inlet）、出口為壓力出口條件（pressure-outlet），介質常壓下為甲烷氣體（methane），根據管道雷諾數設置層流下為laminar模型、過渡區為低流速下計算精度較高的Transition SST模型，高湍流區設置常用的k-epsilon模型。

2.3 仿真設置

為充分研究不同結構整流器對于過渡區及近湍流區流場的整流性能，設置仿真參數如下：

1）氣體流動狀態覆蓋層流區、過渡區、近湍流區和湍流區，對應雷諾數Re分別為 1300、4100、12000、24500，對應入口流速分別為 0.5 m/s、1.7 m/s、5 m/s、10 m/s，觀察管道截面流體的速度分布；

2）固定彎管與整流器間距離5D，調整緩沖直管段長度分別為2D、4D、6D、8D、10D，分析不同整流器結構下的流場優化效果；

3）改變整流器孔板厚度為0.125D、0.25D、0.5D、0.75D，分析孔深度對于流場的影響。

3 仿真結果分析

3.1 雷諾數對流場的影響

下游管道4D位置處截面流場隨雷諾數變化如圖6～9所示，整流器厚度為0.125D。氣體流經上游彎管后其矢量會發生改變，導致管道內沿流體流動方向產生局部渦流，管道截面處速度分布對稱性差，速度最高點向截面下方偏移。當入口流速為0.5 m/s時，管道內流場處于層流狀態，流體湍動程度低，管道未安裝整流器狀態下由于邊界層效應使流速沿壁面至管道中心處呈明顯梯度變化。雖然流速最大區域偏移但整體速度等值線基本對稱，能夠滿足超聲波氣體流量計聲道線上的積分要求，安裝兩種整流器后速度梯度弱化，流場等值面相對對稱，說明層流狀態下整流器對流場的優化起到一定作用，但效果并不顯著。

圖6 Re=1300時管道內流體速度分布

圖7 Re=4100時管道內流體速度分布

圖8 Re=12000時管道內流體速度分布

圖9 Re=24500時管道內流體速度分布

隨著入口流速的提高流體湍動作用增強，在流場過渡區和近湍流區，由于邊界層脫落會引起脫體旋渦，導致近壁面處流場紊亂，速度分布無序性提高。通過圖7和圖8對比發現，安裝整流器后流場分布均勻性得到明顯改善，相比于Zanker整流器，優化后的整流器其外層節圓位置更加靠近管壁，孔徑變小，有助于改善遠離管道中心處由于脫體旋渦造成低速區域流場，使流量計線速度更加準確。

當Re=24500時，流場處于高度湍流區，此時靠近管道中心處速度擾動劇烈，壁面附近局部流場對于整體線速度影響相對減弱，Zanker整流器由于節圓直徑更小，近孔板中心位置開孔更加密集，使其在高度湍流區域的整流效果較優化后的整流器更明顯，但總體來看兩種整流器均能滿足湍流尺度下的測試需求。

3.2 不同管道位置處流場分布

過渡區（Re=4100）以及近湍流區（Re=12000）下不同下游管道位置處流體速度分布如圖10～15所示。在無整流器條件下，管道內流場靠近彎頭處速度分布混亂，隨著氣體向前流動，流場也逐漸向完全發展流轉變。對于Re=4100時流場，緩沖直管長度8D處管道截面速度分布較為對稱，Re=12000下緩沖直管長度即使在10D處仍存在較明顯的不規則分布區域；而對于Zanker和優化整流器，在緩沖直管4D位置處已能看到流場有顯著的優化，速度等值面更加對稱，近壁面處速度梯度變化規律。

圖10 Re=4100，無整流器的下游管道不同位置處流體速度分布

圖11 Re=4100，Zanker整流器的下游管道不同位置處流體速度分布

圖12 Re=4100，優化整流器的下游管道不同位置處流體速度分布

圖13 Re=12000，無整流器的下游管道不同位置處流體速度分布

圖14 Re=12000，Zanker整流器的下游管道不同位置處流體速度分布

圖15 Re=12000，優化整流器的下游管道不同位置處流體速度分布

3種安裝條件在不同緩沖直管位置的相對測量誤差如表2所示。通過誤差分析可以得出，安裝整流器是提高測量精度的有效方法。在過渡區及近湍流區下整流器位置后4D處即可達到測量條件，誤差均在±4.5%以內，而優化整流器誤差控制在±4.0%以內，說明其設計結構合理，更適用于過渡區流場。

表2 管道內不同截面處測量誤差%

3.3 整流器厚度對流場影響

固定管道雷諾數Re=12000，調整優化整流器的厚度，下游2D位置處管道截面渦流強度如圖16所示。由于管道過渡區及近湍流區下邊界層脫落引起渦流，當整流器厚度為0.125D時，管道截面近壁面處渦流強度梯度明顯；而厚度提高至0.25D下截面渦流高強度區域變小且對稱性有所提高，綜合考慮整流效果以及管道壓損，優化整流器厚度設置為0.25D。

圖16 不同優化整流器厚度下的渦流強度

4 實驗驗證

4.1 實驗設備及測試方法

圖17是超聲波氣體流量計實驗平臺，本次實驗選擇小管徑段進行測試，氣體在管路系統輸送，其流量通過閥門進行調節，90°C單彎管作為上游阻流裝置，整流器與彎管距離固定，緩沖管道可以更換，超聲波氣體流量計及和校準儀表用來測量管道內氣體實時流量。

控制氣體流速在0～10 m/s范圍內變化，每次測量采集80組數據，處理信號來計算實際流量，通過與標準表對比可以計算實際測量誤差。

圖17 超聲波氣體流量計實驗平臺

4.2 測試結果討論

固定上游彎頭與整流器位置，整流器厚度0.25D，緩沖管道6D處安裝超聲波氣體流量計，調整管道雷諾數與仿真數值相同，對應流量測試點分別為 2.26 m3/h、7.68 m3/h、22.6 m3/h、45.2 m3/h，實驗誤差如圖18所示。層流尺度下，有無整流器的測量誤差均在±10%范圍內，基本滿足測量需求；過渡區以及近湍流區下本研究設計的整流器平均精度2.53%，優于Zanker整流器，說明優化優化結構后整流器能夠縮短流量計的測量距離，與仿真結果趨勢基本一致，更加適用于過渡區以及近湍流的流場檢測。

圖18 實驗誤差分析

5 結束語

本文采用CFD仿真與實驗相結合的方法，詳細分析了過渡區內渦流的產生機理及分布情況，以此為依據對當今應用較廣的Zanker整流器進行優化改進，設計了節圓面積更大、等徑圓孔更稠密的新型整流器。考察了有無整流器時不同雷諾數下管道截面處流場的速度分布情況；調整直管緩沖管道長度，考察測量位置對于相對測量誤差的影響；改變孔徑深度，確定低壓損下整流器的最佳厚度，得出結論如下：

1）隨著管道雷諾數的提高流體湍動程度劇烈，管道截面處速度分布無序性增強，但安裝整流器后能有效改善流場，優化后的整流器在Re=4100～12000范圍內對近壁面處渦流的調整作用更加明顯；

2）延長緩沖管道長度對于降低測量誤差有一定效果，安裝整流器后可以使測量位置縮短至整流器下游4D處，且過渡區及近湍流區內優化整流器的測量誤差普遍低于4%；

3）優化整流器厚度達到0.25D時已基本達到對流場的調整效果，考慮到實際實驗中降低壓損需求，確定優化整流器的最佳厚度為0.25D；

4）通過實驗分析整流器的作用以及仿真可信性，發現實驗中不同流量下相對誤差與仿真結果整體趨勢一致，且過渡區和近湍流區下優化整流器的平均相對測量誤差控制在2.53%以內。