超聲熱量表彎管流量檢測與CFD仿真計算

供熱計量改革是節能減排的重要措施。集中供熱的城鎮新建公共建筑和居民住宅，都必須安裝具有分戶(hù)計量和室溫調控功能的采暖系統。超聲熱量表的流量傳感器是超聲流量計，JJG1030—2007《超聲流量計》中關(guān)于直管段安裝要求為：上游直管段長(cháng)度至少為10D_N（DN為流量計內徑），下游直管段長(cháng)度至少為5D_N。在熱計量改造中，不能滿(mǎn)足直管段安裝要求的情況時(shí)有發(fā)生。本文利用大口徑熱水流量標準裝置，設計DN50mm“幾”字形實(shí)驗彎管，檢測各種彎管對超聲熱量表流量示值誤差的影響。由于部分情況不能夠進(jìn)行檢測，所以本文建立了與實(shí)驗彎管完全一致的計算模型，基于Fluent6.3平臺對實(shí)驗彎管流量進(jìn)行了大量仿真計算，并建立了實(shí)際安裝中的直角彎管計算模型進(jìn)行仿真計算，對比分析了實(shí)測和仿真計算結果。

1 彎管流量檢測

本試驗使用的DN（50～300）mm大口徑熱水流量標準裝置，可檢測超聲熱量表、熱水表、超聲流量計等，標準器為三臺準確度等級為0.1級的電子秤。選取兩塊計量性能較為穩定的某品牌DN50mm超聲熱量表，進(jìn)行彎管安裝的流量示值誤差試驗。熱量表表長(cháng)200mm，前置十字整流板、縮徑設計，準確度等級為2級。換能器探頭安裝方式為U型。將相應的溫度傳感器插入表體，用實(shí)時(shí)溫度修正超聲波速度。圖1、圖2分別為超聲熱量表的水流豎直向下前彎管、豎直向上后彎管安裝方式，圖中箭頭方向為水流方向。

圖1 豎直向下前彎管

圖2 豎直向上后彎管

根據JG225—2001《熱能表》的有關(guān)要求，選取0.6、1.5、4.5、15、30m³/h5個(gè)流量點(diǎn)，檢測水溫為（50±5）℃。采用靜態(tài)質(zhì)量法，進(jìn)行流量示值誤差試驗。在檢測過(guò)程中，調節流量點(diǎn)誤差在±2%以?xún)�，檢測時(shí)間為2min，每個(gè)流量點(diǎn)檢測3次，示值誤差取3次檢測的平均值。兩塊熱量表流量示值誤差實(shí)測結果如表1、表2所示。

表1 1#熱量表流量示值誤差實(shí)測結果

表2 2#熱量表流量示值誤差實(shí)測結果

由兩塊熱量表流量檢測數據可得出一致的結論：相比于表后彎管，表前彎管對熱量表流量的影響較大；在小流量點(diǎn)，水平彎管與豎直彎管條件下的流量示值誤差較為接近；在中、大流量點(diǎn)，與直管段相比，水平前彎管、豎直向下前彎管的流量示值誤差逐漸增大；豎直向下前彎管的大流量點(diǎn)示值誤差增大明顯，15m³/h和30m³/h兩個(gè)流量點(diǎn)的流量示值誤差增大了2.5%左右。

2 CFD仿真計算

2.1 實(shí)驗彎管計算模型

由于實(shí)驗條件限制，無(wú)法進(jìn)行水流豎直向上前彎管和水流豎直向下后彎管的流量測量。檢測數據表明表后彎管對流量影響較小，因此本文基于Fluent6.3平臺，建立與實(shí)驗彎管完全一致的三種前彎管流場(chǎng)模型：水流豎直向下、水平、豎直向上。流量檢測段按照實(shí)際結構建立模型。為了使計算容易收斂，得到更準確的計算結果，對流量檢測段流場(chǎng)區域進(jìn)行網(wǎng)格加密。豎直向下前彎管流量計算模型如圖3所示，熱量表流量檢測段流場(chǎng)網(wǎng)格圖如圖4所示。

圖3 實(shí)驗彎管流量計算模型（豎直向下前彎管）

圖4 流量檢測段流場(chǎng)網(wǎng)格圖（豎直向下前彎管）

Fluent計算設置如下：入口類(lèi)型為速度入口，數學(xué)模型為標準雙方程k－ε模型（湍流動(dòng)能方程k，擴散方程ε）。動(dòng)量二階差分控制，計算殘差收斂小于0.001%。入口速度分別設置為1.5、4.5、15、30m³/h，進(jìn)行迭代計算。計算收斂后，計算出超聲波傳播路徑上的線(xiàn)平均速度。

2.2 直角彎管計算模型

超聲波熱量表實(shí)際安裝過(guò)程中的彎管結構與實(shí)驗彎管有一定區別，一般為直角彎管。本文以直角彎管建立模型（如圖5所示），進(jìn)行大量CFD仿真計算。Fluent中的設置以及數據處理方式與實(shí)驗彎管計算模型相同。

圖5 直角彎管計算模型（豎直向下前彎管）

3 計算結果對比

根據時(shí)差法流量測量原理，測得流速是超聲波傳播路徑上的線(xiàn)平均流速，通過(guò)流場(chǎng)分布修正系數修正為面平均流速，從而得到瞬時(shí)流量。仿真計算中，可以計算出各種彎管條件下超聲波傳播方向上水流的線(xiàn)平均速度，以直管段的線(xiàn)平均速度仿真結果為基準值，計算出各種彎管條件下相對直管段的流量示值誤差。為了便于比較，1#熱量表流量實(shí)測數據同樣進(jìn)行歸一化處理，即以直管段流量示值誤差作為基準值，彎管條件下流量示值誤差與直管段條件的流量示值誤差之差，作為彎管條件下流量示值誤差的改變量。CFD仿真結果與1#熱量表實(shí)測結果的比較如表3所示。

表3 1#熱量表流量示值誤差仿真與實(shí)測結果比較

下面分析彎管對超聲熱量表流量影響的原因。超聲熱量表滿(mǎn)足直管段安裝要求，瞬時(shí)流量穩定的情況下，流量檢測段可視為定常流。在定常流狀態(tài)下，調整熱量表的儀表系數，把超聲波傳播路徑上水流的線(xiàn)平均速度修正為截面平均流速，從而得到瞬時(shí)流量。通過(guò)確定特征流量點(diǎn)的儀表系數，擬合為整個(gè)量程上的儀表系數曲線(xiàn)。對于已確定了儀表系數曲線(xiàn)的超聲熱量表，彎管改變了流量檢測段的流場(chǎng)分布，超聲波傳播路徑上的線(xiàn)平均速度也隨之改變，而儀表系數為原有固定值，這導致了在彎管安裝條件下流量示值誤差的變化量。直角彎管比實(shí)驗彎管對熱量表流量檢測段的流場(chǎng)改變程度更大，從而導致了直角彎管的流量變化量更大一些。

圖6所示為直角彎管仿真計算中，公稱(chēng)流量點(diǎn)15m³/h，直管段、豎直向下前彎管、豎直向上前彎管的流場(chǎng)中軸截面（Z=0）速度分布圖。該圖直觀(guān)地表現出了不同彎管對整個(gè)檢測管道流場(chǎng)的改變情況。圖7為仿真計算中，公稱(chēng)流量點(diǎn)15m³/h，直管段、水流豎直向下前實(shí)驗彎管、豎直向下前直角彎管的流量檢測段中軸截面（Z=0）速度分布圖。該圖直觀(guān)地表現出了實(shí)驗彎管和直角彎管對流量檢測段流場(chǎng)的改變情況。

圖6 流場(chǎng)速度分布圖1

圖7 流場(chǎng)速度分布圖2

4 結論

對于本文選用的超聲熱量表，由實(shí)測數據和CFD仿真計算可得：

（1）表前彎管對超聲熱量表的計量性能有明顯影響。在公稱(chēng)流量點(diǎn)和最大流量點(diǎn)，豎直向下前彎管導致流量示值誤差增大2.5%左右。

（2）在中、大流量點(diǎn)，仿真結果與檢測結果有較好的一致性。

（3）對于無(wú)法檢測的情形，仿真計算可以進(jìn)行測算。本文中，仿真結果顯示豎直向上前彎管導致流量示值誤差減少1.5%～2%。

（4）仿真結果表明，實(shí)際安裝的直角彎管流量示值誤差比實(shí)驗彎管大一些。

本文采用CFD仿真計算與實(shí)測相結合的方法，系統計算了供熱計量中多種彎管對超聲熱量表流量的影響。超聲熱量表的換能器探頭安裝方式多種多樣，檢測設備無(wú)法檢測各種復雜彎管導致的流量變化，此時(shí)可以用仿真方法進(jìn)行計算。