超声波气体流量计的管道模型仿真
发布时间：2022-04-12 00:10:42
近年来，
超声波流量计作为工业检测系统中的重要测量仪器，呈现出快速发展的趋势。据统计，超声波流量计的年销售额已超过5亿美元，市场份额已超过整个流量计总市场的10%，并在逐年增长。自20世纪70年代超声波气体流量计问世以来，它以其精度高、重复性好、无可动部件、无压力损失等优点越来越受到业界的关注。
然而，在超声波气体流量计的测量中仍然存在许多难以克服的技术问题，如声噪声干扰严重、信号衰减幅度大、信号不稳定等。这些问题的存在严重制约了产品的测量精度、稳定性、重复性等基本指标，阻碍了产品化的发展。鉴于市场的迫切需求，国内外超声波气体流量计的发展重点已逐步转向误差因素分析、系统结构优化等深层次领域。
研究方向主要集中在三个方面：流场适应性分析、信号检测优化和采集信号处理技术。其中，管道流场的优化设计是提高超声波气体流量计测量精度的有效方法。虽然国际文献对此进行了初步的理论和实验研究，但仍缺乏系统的定量分析，部分分析结果难以推广应用。
针对上述问题，本文提出利用计算机建模与仿真技术，结合实验结果，定量分析传感器上游弯头作用下下游直管段流量测量精度与弯头角度、雷诺数、管径、流量的关系，检测位置和管壁粗糙度。通过后续工作的改进，该研究方法可以进一步扩展到其他类型超声波气体流量计的结构优化设计和误差分析领域，这将对提高传感器的设计精度和实际工程应用起到重要作用。管道建模与数值模拟
仿真模型的建立；在实际的管道系统中，弯头作为基本的结构件，通常安装在测量管段的上游。其他阻流元件，如阀门和整流器，可以等效并简化为弯头和接头的组合。为了简化模型，本文重点研究了弯管对管道流场的影响。建立的三维管道模型，该模型由四部分组成：入口缓冲管、上游弯头、检测直管和出口缓冲管。
根据行业标准，模型弯头的半径设置为管道直径的1.5倍。为了确保气体完全通过上游弯头流向下游直管段进行测试，上游和下游缓冲管的长度分别为15d和60d。试验管道采用法兰连接，检测段设置在不同位置
模拟设置；为了避免二次因素的干扰，重点分析弯管对流场的影响，本文的模拟工作主要集中在五个方面：考虑超声波气体流量计的实际安装环境，将气流状态设置为湍流运动，雷诺数（Re）从5000到200000。通过设置进气管内的初始气体流速，研究了Re的变化对测量精度的影响； 调整上游弯头的弯曲角度，并演示弯头角度变化与下游测量精度之间的关系； 改变测试点到上游弯头的距离和管道直径，分析管道几何因素对流量测量精度的影响；考虑到实际管道长期使用对流量的影响，设置不同尺寸的平均管壁粗糙度来模拟其影响趋势；根据上述模拟结果，定量分析了各因素对流场的影响程度，得到了相对误差容限表。
实验平台的功能图；实验平台由三部分组成：检测管段、标准管段和辅助管段。待测管段通过法兰连接至系统。在实验中，空气由气泵泵入检测管段，在定容流量检测中，流入气体由标准流量计测量考虑到现场工况（压力和温度）的变化会影响检测结果，在检测管段前后安装压力和温度传感器，并利用补偿算法将各种工况的实际测量结果转换为标准工况，得到*终结果。
同时，在模拟计算中，将标准工况作为初始条件纳入计算。通过模拟结果与实验结果的比较，得出以下结论：在实验室条件下，与其他条件相比，压力和温度变化对试验结果的影响可以忽略；该仿真模型可以代替实验系统对不同工况下的流场进行分析计算，精度可控
结论；本文利用数值模拟技术研究了超声波气体流量计弯头结构中管道流量测量精度与流场参数之间的关系，重点研究了弯头角度、雷诺数、流量计安装位置、管径和管壁粗糙度对误差因素的影响。通过理论和仿真实验分析，得出以下初步结论：本文的定量分析方法可以对超声波气体流量计的许多误差因素提供更准确的分析结果。
结果表明，雷诺数、管径和安装位置是影响流场误差的主要因素，上游弯头角度和管壁粗糙度对减小超声波气体流量计的流量误差有一定作用；本文得到了不同流场和安装条件下流量计的测量误差容限参数。其数值范围可以给出更准确的
超声气体流量计流场修正系数，为开发高精度超声气体流量计的优化设计提供定量分析手段。理论分析和模拟实验结果表明，利用计算机数值定量分析方法解决超声波气体流量计的流场适应性是可行的。研究结果对超声波气体流量计的优化设计和减小误差具有重要的指导意义。下一步将进一步丰富流场结构。结合超声波流量计的工作原理和实验结果，验证了不同工况下流场模拟分析结果与超声波流量计测量精度的关系
181-5507-8261
