反射装置对超声波流量计水流特性的影响规律研究_邝卫华

收稿日期： 2014 － 12 － 22 基金项目： 广东高校珠宝首饰工程技术开发中心建设项目 （ 粤教科函 〔2012〕131 号） ； 广州番禺职业技术学院 “十二五”
第二批社会科学与科技项目 （ 番职院科 〔2014〕2 号） ； 广州番禺职业技术学院教育教学改革项目 （ Z1501） 作者简介： 邝卫华 （ 1976—） ，男，博士，副教授，主要研究方向为机械设计与制造。E － mail： kwh05@ 163. com。
流场的影响规律。由图可知，不同换能器高度，基表 缩管内流场基本相似，说明换能器露出高度对基表内 流场的影响较小。
第1 期
邝卫华 等： 反射装置对超声波流量计水流特性的影响规律研究
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图 10 换能器露出高度对基表内流场的影响规律
4 结论 （ 1） 由于反射柱对液流的阻碍作用，入口反射
面附近会出现漩涡； 反射柱直径越大，漩涡形成的范 围也越大。
2016 年 1 月 第 44 卷 第 1 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Jan. 2016 Vol. 44 No. 1
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2016. 01. 026
反射装置对超声波流量计Biblioteka Baidu流特性的影响规律研究
邝卫华1 ，潘旭枫2
图 4 反射柱直径对 K 系数标准差的影响规律 图 5 反映了不同反射柱直径对反射柱周边流场的 影响规律。由 图 可 知，由 于 反 射 柱 对 液 流 的 阻 碍 作 用，反射柱反射面附近会出现漩涡，部分流体从反射 柱周边流向反射面，形成回旋。反射柱直径越大，漩 涡形成的范围也越大。
图 5 反射柱直径对反射柱周边流场的影响规律 图 6 反映了不同反射柱直径对整个基表内流场的 造成过流面积缩小，流速增大，流场分布杂乱，速度 影响规律。由图可知，d = 11. 2 mm 的速度等值线比 等值线梯度大，分布密集。当然，反射柱的直径不能 d = 16 mm 更为稀疏，速度梯度小，速度分布更均匀， 一味减小，还得考虑反射面对超声波的良好反射 作 说明此时基表内部流场的品质更好。随着反射柱直径 用，实际设 计 时 需 在 两 者 之 间 找 到 一 个 很 好 的 平 的增大，反射柱与流量计内表之间的径向间隙减小， 衡点。
超声波反射装置由表面光滑的合金制成，它在传 送超声波信号的同时，也阻碍流体通过，使得流量计 内水流特性非常复杂。工程人员进行流量计结构优化 时，需考虑图 1 所示反射柱直径 d、换能器露出高度 H、两反射柱距离 L、缩管直径 D 等结构参数。
图 1 超声波基表主要结构参数
本文作者基于 Fluent 流体软件，通过数值模拟来
图 8 换能器露出高度对 K 系数标准差的影响规律 图 9 反映了不同换能器露出高度对反射柱周边流 场的影响规律。由图可知，由于反射柱对液流的阻碍 作用，无论取何种露出高度数值，入口处反射面附近 都会出现漩涡 （ 见图 9 标记处） 。这是由于高速流体 经过挤压后将顺着反射面下滑，受反射柱周围高速流 体的影响，形成回旋，从而产生漩涡。但随着换能器 露出高度的增大，反射面与基表内壁间的间隙增大， 回旋的范围及强度有下降的趋势。此外，出口反射面 附近也会 出 现 漩 涡，这 是 由 于 流 体 沿 着 反 射 面 上 行 时，遇到基表内壁阻挡，形成回旋所致。随着换能器 露出高度 的 增 加，出 口 反 射 面 上 方 的 漩 涡 区 域 越 发 明显。
不会随反射柱直径的变化而产生显著变化。
图 2 超声波声路布置
2 反射柱直径对基表水流特性的影响规律 为了研究 反 射 柱 直 径 对 基 表 水 流 特 性 的 影 响 规
律，文中选取了 5 组不同的直径数值，分别为 d = 11. 2、12. 6、14. 0、15. 4、16. 8 mm。基表 其 余 结 构 参数完全相同，换能器露出高度 H = 11. 4 mm，缩管 直径 D = 14 mm，反射装置轴向距离 L = 72 mm。分 别按照上述参数建模，并基于 Fluent 软件进行数值模 拟，以探讨不同反射柱直径对基表内水流特性的影响 规律。
关键词： 超声波流量计； 数值模拟； 优化设计 中图分类号： TH137. 5 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2016） 1 － 108 － 4
Study on Influence Law of Reflective Device on Flow Characteristics of Ultrasonic Flowmeter
图 3 反映了不同反射柱直径对各声路 K 系数的影 响规律。由图可知，尽管反射柱直径不同，但各声道 K 系数的变化规律基本一致，从中心声道 Line0 到第 14 声道 Line14 基本上呈先降后升的趋势，各声路升 降转折拐点并不相同。d = 11. 2 mm 时，K 系数前几 条声路相对平缓。随着反射柱直径 d 的增加，1 － 6 声路 K 系数下降幅度明显增大，这是由于随着反射 柱直径的增大，其阻流效果越发明显所致。图中第五 条声道 Line5 （ 即横坐标 5 对应的 K 值） 为不同反射 柱直径 K 系数相交点，说明该声路 K 系数最为稳定，
Keywords： Ultrasonic flowmeter； Numercial simulation； Optimum design
0 前言 时差法超声波流量计是一种利用超声波信号在流
体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的测 量方法［1］，它具有测量范围宽、测量精度高、使用方 便、安装简单等特点。
图 7 反映了不同换能器露出高度对各声路 K 系数 的影响规律。由图可知，尽管换能器露出高度不同， 但各声道 K 系数的分布变化规律基本一致，从中心 声道 Line0 到第 14 声道 Line14 基本上呈先降后升的 趋势。换能器露出高度对中心轴线的声路影响较大， 表现为中心声道 Line0 （ 即横坐标 0 对应的 K 值） 差 异非常明显。各条声道先降后升后，于第 11 条声路 Line11 相交，说明超声波换能器露出高度对该声路的 影响最小，此时可选为最优声路。
第1 期
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均值。 目前，K 系数及其标准差已成为衡量超声波反射
装置、超声波声路优劣的主要依据［2］。本文对声路的 定义如图 2 所示： 以反射面中心为基准，往外每增加 0. 5 mm 进 行 划 线，分 别 标 记 为 Line0， Line1，…， LineN，对应的 K 系数依次编号为 K1 ，K2 ，…，Kn。 不同声路的 K 值可以通过 Fluent 后处理功能获取。
研究反射装置结构参数对基表水流特性的影响规律，
为流量计基表结构优化设计提供理论依据。
1 K 系数
根据超声波流量计测量原理可知，流量计测量的
流速为超声波传播路径上的线平均速度，而非测量截
面内流体的面平均速度，需引入修正系数 K 对其速 度进行修正［1］。K 系数定义为：
K = v/u
（ 1）
式中： v 为超声波传播路径上的线平均流速； u 为管
道横截面的面平均流速。
K 系数标准差定义为：
槡 ΔK =
（ K1 － K－ ） 2 + （ K2 － K－ ） 2 + … + （ KN － K－ ） 2 N
（ 2）
式中： ΔK 为 K 系数标准差； K1 ，K2 ，…，Kn 为 N 条
不同 声 路 上 的 K 系 数 值； K－ 为 这 N 个 系 数 值 的 平
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机床与液压
第 44 卷
度 H 的增大，换能器上表面与基表内壁之间的间隙 增大，从而使得过流面积增大，流体流过反射装置时 受到 的 阻 碍 作 用 减 小，流 体 扰 动 减 弱，流 场 更 为 稳定。
图 6 反射柱直径对基表内流场的影响规律
3 换能器露出高度对水流特性的影响规律 为了研究超声波换能器露出高度对基表水流特性
Abstract： As a high precision fluid measurement tool，ultrasonic flowmeter plays a significant role in energy saving． Based on Fluent software and used k-ε model，three-dimensional （ 3D） flow fields in the table of ultrasonic flowmeter were simulated． By calculation and results analysis，K coefficient and its distribution law of standard deviation were obtained，how to choose the optimal sound path was discussed，as well as for the influence law of reflex column diameter and transducer high on flow characteristic of the table． The numercial simulation is helpful for structure optimization of the flowmeter．
（ 1． 广州番禺职业技术学院机电工程学院，广东广州 511483； 2． 广州计量检测技术研究院，广东广州 510030）
摘要： 超声波流量计作为一种较高精度的流体计量工具，在节能降耗方面发挥着巨大作用。基于 Fluent 软件，选用k-ε 模型对超声流量计基表内的流场进行了三维数值模拟，通过计算及结果分析得到超声波流量计 K 系数及 K 系数标准差的分 布规律，并探讨了超声波流量计最优声路的选择，反射柱直径、换能器露出高度对基表内水流特性的影响规律。数值模拟 对流量计结构优化具有一定的指导作用。
的影响规律，采取了 5 组不同的高度数值，分别为 H = 9. 4、10. 4、11. 4、12. 4、13. 4 mm； 基表其余结 构参数全部相同，反射柱直径 d = 14 mm，缩管直径 D = 14 mm，反射装置轴向距离 L = 72 mm。按照上述 参数分别建模，并基于 Fluent 软件进行数值模拟，以 探讨不同超声波换能器露出高度对基表内水流特性的 影响规律。
图 3 反射柱直径对各声路 K 系数的影响规律 图 4 反映了不同反射柱直径对 K 系数标准差的影 响规律。由图可知，当反射柱直径较小时，K 系数的 标准差较 小。随 着 反 射 柱 直 径 的 增 大，如 d = 16. 8 mm 时，K 系数标准差呈明显增大趋势，这是由于随 着反射柱直径的增大，反射装置与基表内表面之间的 过流面积明显减小，流体承受阻流作用增大，流体只 能以较高流速快速通过两反射装置之间的通道区域， 流体扰动 大，流 动 不 稳 定，导 致 K 值 标 准 差 明 显 增加。
KUANG Weihua1 ，PAN Xufeng2 （ 1． Department of Mechanical and Electronic Engineering，Guangzhou Panyu Polytechnic，
Guangzhou Guangdong 511483，China； 2． Guangzhou Institute of Measuring and Testing Technology，Guangzhou Guangdong 510030，China）
图 7 换能器露出高度对各声路 K 系数的影响规律 图 8 反映了不同换能器露出高度对 K 系数标准差 的影响规律。由图可知，随着换能器露出高度 H 的 增大，K 系 数 的 标 准 差 呈 明 显 下 降 趋 势。H = 12. 4 mm 时，K 系数的标准差最小。这是由于随着露出高
图 9 换能器露出高度对反射柱周边流场的影响规律 图 10 反映了不同换能器露出高度对整个基表内