非轴向速度分量对超声波流量计声道速度测量的影响

第32卷第3期2020年5月
常州大学学报(自然科学版)
Journal of Changzhou University(Natural Science Edition)
Vol.32No.3
May2020
doi：10.3969/j.issn.2095-0411.2020.03.006
非轴向速度分量对超声波流量计声道速度
测量的影响
卢林冲赵会军唐金勇3
（1.常州大学石油工程学院，江苏常州213164； 2.常州大学江苏省油气储运技术重点实验室，江苏常州213164； 3.江苏省天然气有限公司，江苏南京210008）
摘要：为了定量分析输气管道中非轴向速度分量对超声波流量计声道速度测量的影响，建立管道模型，利用FLUENT软件获得管内气体流动情况，以水平布置的Gauss-Jacobi声道布局方案中的四声道和45。

声平面布置的声道为例，采取逐个积分声道路径上每个网格内声波传播时间从而计算声道流速的方法，得到非轴向速度分量引起的速度测量相对误差°结果表明：声道入射角度的改变对非轴向速度分量引起的相对误差无明显影响；随90。

弯头和三通下游直管段的增加，非轴向速度分量引起的相对误差不断减小，90。

弯头下游25D（D 为管径）后相对误差绝对值基本降至0.1%以内，三通下游30D后降至5%以内；水平布置的声道在测量流速时抗非轴向速度分量干扰能力优于45。

声平面布置的声道°研究结果可为提升超声波流量计流体扰动耐受性能提供参考’
关键词：超声波流量计;非轴向速度分量；速度测量相对误差FLUENT；Gauss-Jacobi声道布局方案
中图分类号：TE832文献标志码:A文章编号=2095-0411（2020）03-0040-07
Effects of Non-Axial Velocity Component on the Measurement of Acoustic Path's Velocity of Ultrasonic Flowmeter
LU Linchong1"，ZHAO Huijun1"，TANG Jinyong3
（1.School of Petroleum Engineering，Changzhou University，Changzhou213164，China； 2.Jiangsu Key Laboratory of Oil d Gas Storage and Transportation Technology，Changzhou University，Chang­zhou213164，China； 3.Jiangsu Natural Gas Co..Ltd..Nanjing210008，China）
Abs,rac,：Inordertoquantitativelyanalyzetheinfluenceofnon-axialvelocitycomponentontheveloci-ty measurement of the ultrasonic flowmeter's acoustic paths in the gas transmission pipeline，a pipe­line model was established.TheFLUENT software was used to simulate the natural gas flow in the pipeline.Take the horizonta l y arranged four-path of Gauss-Jacobi acoustic path layout scheme and
收稿日期：2019-10-25o
作者简介：卢林冲（1992—），男，江苏高邮人，硕士生。

通信联系人：赵会军（1965—），E-mail：************.cn
引用本文：卢林冲，赵会军，唐金勇•非轴向速度分量对超声波流量计声道速度测量的影响常州大学学报（自然科学版），2020,32（3）:4046.
第3 期
卢林冲，等:非轴向速度分量对超声波流量计声道速度测量的影响・41・
path arranged on 45° acoustic plane as examples. To obtain the acoustic path velocity measurement rel ­
ative error caused by the non-axial velocity component # a method integrating the sound wave propaga ­tion time within each grid to calculate the flow rate on the acoustic path was used. It is shown that the changeof6hepa6hanglehasnosignifican6influenceon6herela6iveerrorof6heacous6icpa6hveloci6y measurement caused by the non-axial velocity component ； With the increase of the length of 90° elbow
and tee's downstream straight pipe , the relative error caused by the non-axial velocity component de ­
creases continuously. After the 25D (> is the pipe diameter) downstream of 90° elbow, the absolute
value of the relative error is basically reduced to less than 0.1% , and after the 30D downstream of tee ,
the absolute value of the relative error is reduced to less than 5 % ； Horizontally arranged paths have be t erresistancetonon-axia+ve+ocitycomponentdisturbancesinf+owratemeasurementthanpathsar- rangedon45°acousticp+ane.Theresearchcanbeusedasthereferenceforimprovingthef+uiddisturb- anceto+eranceperformanceofu+trasonicf+owmeter.
Key words : ultrasonic flowmeter ； non-axial velocity component ； speed measurement relative error ；
FLUENT %Gauss-Jacobiacousticpathlayoutsch4m4
时差法超声波流量计）12*以其抗干扰能力强、精度高囚、无压力损失、可双向计量等优势广泛应 用于天然气贸易中旳。

然而，在天然气管输过程中，超声传播渡越时间的测量准确度7、气流速度分布、
气流脉动8、噪声9等因素使超声波流量计仍然存在计量结果偏差较大的情况。

时差法超声波流量计 测量的是声道上的线平均速度，需要经速度分布校正系数转换成面平均速度从而计算体积流量）1011*，所
以管道内的气流速度分布情况将对声道测量结果将造成关键影响，而造成气流速度分布不均匀的原因 是管道中存在弯头、三通等阻流件。

为此，韩思奇等）12、唐晓宇等通过数值模拟法和实验研究不同阻
流件下游超声波流量计的安装位置、声道的布置对速度分布校正系数的影响，以优化超声波流量计的设
计并提高测量准确度。

其中，对于声道上流体速度的计算，唐晓宇等）13提出了逐个积分声道路径上的 每个网格内声波传播时间从而计算声道上流速的方法，此方法考虑到了实际测量过程中非轴向速度分
量对超声传播的影响。

根据时差法超声波流量计的基本测量原理可知，流量的测量需要的只是与管道 平行的轴向速度在声道上的分量对超声传播的影响，因为能够表征流体流经截面产生流量的速度只有 与管道平行的轴向速度。

针对非轴向速度分量对超声波流量计声道上速度测量的影响问题，本文采用 数值模拟法，以水平布置的四声道Gauss-Jacobi 声道布局方案和45。

声平面布置的声道皿为例，分析非
轴向速度分量在不同情况下对声道速度测量的影响。

1时差法超声波流量计
1.1测量原理
时差法超声波流量计由表体、信号处理单元、超声换能器等部件组成，超声换能器由紧固机械装置 插入管道中与气体直接接触，并承受气体的压力，超声脉冲被两个换能器交替发射和接收（图1）当管 道中的气体流速不为零时，沿气流方向顺流传播的超声脉冲将加快速度，反之则减慢速度，由此测得的
脉冲传播时间将不一样，顺流的时间（式（1））缩短，逆流的时间（式（2））增长：
T ab C ： A B C cos &(1 )
(2 )
T b a
C — A B C cos &
•42•常州大学学报（自然科学版）2020年
式中05?为声脉冲顺流传播时间，S；为声脉冲
逆流传播时间，S；L为声道长度，m；c为声波在气流
中的传播速度，m-s"1A b为气体轴向流速，m-s"1；
&为气体轴向速度与声道的夹角，（°）。

根据这两个时间可以计算气体的流速
2C cos&\T a?T?5丿
式中:V气体沿声道的平均流速，m-s"】；@为声道长度，［&为声道与管轴线间的夹角,即声道入射角度为声脉冲顺流传播时间#;T a为声脉冲逆流传播时间
图1气体超声波流量计测量原理示意图
Fig.1Schematic diagram of measurement principle of gas ultrasonic flowmeter
由于上游阻流件的作用，管道中的气流还存在非轴向的速度，也将影响超声脉冲的传播时间，所以为了更接近实际测量情况，超声脉冲顺流式（4）和逆流式（5）的时间计算方式可以做相应的修改：
C：A B C cos&—A E C Co S'
T a2c:c（5&
C一A B C COS&十A y C COS'
式中:T a?为声脉冲顺流传播时间，s；T?a为声脉冲逆流传播时间，S；@为声道长度，m；c为声波在气流中的传播速度，m-s"1为气体轴向速度，m-s"1A y为气体非轴向速度分量，m•s"1；&为气体轴向速度与声道的夹角，（°）；为气体非轴向速度分量与声道的夹角，（°）。

1.2Gauss-Jacobi声道布局方案
超声波流量计通常以多声道的形式计量，常见的直射式多声道超声波流量计声道布局有Gauss-Tchebychev）15*，Gauss-Jacobi等方案，本文以水平布置的Gauss-Jacobi声道布局方案（表1）中的四声道为例，分析非轴向速度分量对超声波流量计声道速度测量的影响。

2模型建立与仿真结果分析
2.1模型建立及仿真设置
根据简化后的串联计量支路，采用Solid­works软件建立管道模型（图2）,管径D= 100mm,90°弯头的曲率半径R=150mm,气体入口直管段长度为2m,并对90。

弯头和三通下游直管段做了延长以充分获取管道内气体速度分布变化情况。

根据实际超声波流量计量程，仿真中气体入口速度分别取值分别为0.03,0.05,0.1,0.5,1,2，5,10,15,30m•s a1。

仿真中流速最高为
表1Gauss-Jacobi声道布局方案
Table1Gauss-Jacobi acoustic path layout scheme 声道数声道位置#1）
10
2士0.5
30
士07071
4士08090
士03090
1）以水平声平面为例,R表示第）个声道的相对位
置为声道在管道横截面上的投影线中点横截面圆心与
之间的距离R为管道半径）。

『
仿真中的三通位置
=------二一封堵
更—亠,仿真中的90。

弯头位置一
、气体出口气体入口
图2串联计量支路管道模型示意图
Fig.2Schematic diagram of mode5ofseries metering
branchpipeine
第3期
卢林冲，等:非轴向速度分量对超声波流量计声道速度测量的影响・43・
30 m - s a1#马赫数不超过0.1,故假设气体为不可压缩流体）16*,且在管道内做恒温定常流动。

仿真中气
体设定为甲烷，压力5.0 MPa,温度20 '，黏性系数1.3X10a5 Pa - s,密度45 kg - m _a ,声速430 m • s a1。

网格划分采用ICEM 软件，经网格无关性验证，气体流速为0.03〜10 m - s a1时网格数量为325万,
15〜30 m - s a1时网格数量为416万；求解器采用Fluentl9.2软件，其中湍流模型为H e RNG 型[5],入
口设置为速度入口 ,出口设置为压力出口 %后处理采用CFD-POST 软件，其中，采用逐个积分声道路径 上的每个网格内声波传播时间从而计算声道上的流速。

2.2仿真结果分析
2.2.1非轴向速度分量在不同声道入射角度时对声道速度测量的影响
以相对误差式（6）来衡量非轴向速度分量对超声波流量计声道速度测量影响的大小。

相对误差为:
式中：E 为相对误差，％ ; V '为非轴向速度分量影响下气体沿声道的平均流速，m - s "1 ；V 为无非轴向速
度分量影响下气体沿声道的平均流速，m - s a1 0
仿真中分别计算90°弯头下游四声道Gauss-Jacobi 布局方案的声道上非轴向速度分量在不同声道 入射角度（30。

,45。

，60。

）时引起的速度测量相对误差，由仿真计算结果可知，随着声道入射角度的改变,
非轴向速度分量引起的速度测量相对误差并不明显，以第一声道计算结果（图3）为例，只有在距离90。

1
O 0%/*®
fe 無
-0.01
-0.03
-0.05
-0.07-0.09
-0.11
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游90。

弯头题m (a)管道入口速度为0.1 m-s _1
0.5「
U m *
0.10
0.05
0.00
-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游90。

弯头长度/m (b)管道入口速度为lrrrs-i
30°45°60°
-0.2
-0.3
-0.4
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游90 °弯头长度/m （c ）管道入口速度为10 m*s -1
4 3 2 1 0 1
O.O.O.O.O.-O.
%/揪
嘱薑
三
图3第一声道上非轴向速度分量在不同声道入射角度下引起的声道速度测量相对误差
Fig.3 Relaiveerrorofacous,icpa,hveloci,ymeasuremen,causedbynon-axialvelociycomponen,on,hefirs,acousicpa,h
a,diferen,pa,hangle
・44・
常州大学学报（自然科学版）
2020 年
弯头较近时，声道入射角度的增加才会使相对误差出现轻微变化的情况，并且随着直管段的增加，相对
误差几乎一致’
2.2.2非轴向速度分量引起的声道速度测量相对误差随90°弯头和三通下游直管段增加的变化
由于声道入射角度的改变，非轴向速度分量引起的声道速度测量相对误差并无明显变化，故声道入 射角度选取45。

,计算90。

弯头和三通下游四声道Gauss-Jacobi 布局方案的四个声道上非轴向速度分量
引起的声道速度测量相对误差，根据仿真结果，90。

弯头下游声道速度测量相对误差（图4）在一0.43%#
0.5%，除了管道入口速度为15 m - s a1时，随着直管段的增加第一、第三、第四声道速度测量出现了增大
的情况，其余情况下随直管段的增加，声道速度测量相对误差逐渐减小，25＞以后的相对误差绝对值保
持在0.1%内，并且只有在距离90。

弯头较近的区域才出现相对误差较大的情况，同时可以发现，在相对 误差较大的区域，管道入口速度的增加也会造成声道速度测量相对误差的增大。

三通下游声道速度测量的相对误差（图5）在一25.66%#21.96%，可见在此串联计量模型中，三通
下游的流场畸变严重，非轴向速度分量对声道速度测量的干扰明显，虽然随着直管段的增加，相对误差 在不断减小，30＞以后的相对误差绝对值保持在5%以内，但是相比90。

弯头下游仍然很大。

-6.54.3.2J .0
o.o.o.a a 60.%/豐蚤
―■— 0.03 m-s _1 一— 2 m-s _1
——•—— 0.05 m*s _1 —— 一 5 m-s _1—▲—— 0.1 m's -1 ——•—— 10 m^s -1—▼——0.5 m*s -1 —★——15 mcs -1—♦— 1 m*s _1 —•— 30 m*s _1
.5a
,43
a o.0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游90°弯头长度/m
(a)第一声道
%
/糊«夜袈
.2J .0J
o.a o.0—■— 0.03 m*s _1
—— 2 m*s _1——•——0.05 m*s _1 —— 一 5 m^s -1—▲——0.1 mcs -1 ——•——10 m*s _1—▼— 0.5 m-s _1 —★— 15 m^s -1—♦— 1 m*s -1 —#——30 nrs"
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游90。

弯头长度/m
(b)第二声道
%
/揪®fe 奚
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游90°弯头长度加
(c)第三声道0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游90。

弯头长度加
(d)第四声道
图4 90°弯头下游非轴向速度分量对声道速度测量影响
Fig.4 Effects of non-axial velocity component downstream of 90° elbow on acoustic path velocity
measurement
第3 期
卢林冲，等:非轴向速度分量对超声波流量计声道速度测量的影响
・45・
—■— 0.03 m-s _1 —— 2 m-s _1 —•——0.05 m*s _1 —— 一 5 m's -1 —▲— 0.1 m^s -1 ————10 m^s -1—▼— 0.5 nfs -1 —★— 15 m*s _1 —•— 1 m*s _1 —•— 30 m^s -1
15
1050
-5
-10-15
5050505
5
2 2 1 1 一-1-1
%
/*善奚
%/揪
兆灰矢
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游三通长度/m
(a)第一声道
_20___I ___I ___I ___I ___|___|___|___|___|___|___|
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游三通长度/m
105
0 5 0 5
- 1 1A - 一
—■— 0.03 m"s _1 一——2 ms -1 —•——0.05 m^s -1 ——一 5 m-s _l —▲—— 0.1 m's -1 ———— 10 m^s -1 —▼— 0.5 m*s _1 —★— 15 m*s _1 —♦— 1 m*s _1 —•— 30 m #s _1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 距离上游三通长度/hi
(c)第三声道
(b)第二声道
(d)第四声道
图H 三通下游非轴向速度分量对声道速度测量影响
Fig.5 Effects of non-axial velocity components downstream of tee on acoustic path velocity measurement
2.2.3 45°声平面布置的声道上非轴向速度分量对声道速度测量的影响
采用Gauss-Jacobi 方案的四声道超声波流量计的声道通常是水平布置(图6(a)),那么，此时对声 道速度测量造成影响只有水平的非轴向速度分量，但当超声波流量计采用单声道或双声道设计时，其声
道通常是非水平布置(图6(b))此时影响声道速度测量的还有垂直方向的非轴向速度分量。

如图7所示,
10 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9
(a)水平声平面(从上至下为
(b) 45°声平面声道布置
第一至第四声道)布置
—10-------------------------------------------------------0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
距离上游90。

弯头长度/m
图6 超声波流量计声道布置示意图
Fig.6 Schematicdiagramofacousticpathslayoutof
ultrasonicflowmeter
图7 90°弯头下游45°声平面布置的声道上非轴向速度分
量引起的声道速度测量相对误差
Fig. 7 Relative error of acoustic path speed measurement caused
bynon-axialvelocitycomponent8onacouticpath8ar-
ranged at 45° sound plane downstream of 90° elbow
%
/揪®fc
是
•46•常州大学学报(自然科学版)2020年
以45。

声平面布置的声道为例，根据仿真结果可知，声道速度测量相对误差在一840%〜一0.01%，当管道入口速度小于0.1m-s a1时，随直管段的增加相对误差逐渐较小并在40D后接近0,当速度超过0.5m-s a1后，15＞以前相对误差随速度的增加不断减小，25＞以后相对误差随速度的增加不断增大,从整体的变化趋势来看，随着直管段的增加，相对误差保持不断减小的趋势，即使速度达到30m-s a1时，在50＞处相对误差也已经降至一2.40%。

但是，对比90。

弯头下游水平布置的声道速度测量相对误差，可以发现，水平布置的声道速度测量相对误差要明显小于45。

声平面布置的声道，故水平布置的声道在测量速度时抗非轴向速度干扰能力要优于45。

声平面布置的声道。

3结论
1)声道入射角度的改变对非轴向速度分量引起的声道速度测量相对误差无明显影响。

2)随着90。

弯头和三通下游直管段的增加，非轴向速度分量引起的误差不断减小，在本文的串联计量支路模型中，90。

弯头下游的非轴向速度分量引起的误差要明显小于三通弯头下游，故90。

弯头下游的流量计计量准确度要优于三通下游。

3)水平布置的声道的速度测量过程由于只受到水平方向的非轴向速度分量影响，所以其相对测量误差要小于45。

声平面布置的声道。

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(责任编辑：殷丽莉)。