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Research on the Influence of Butterfly Valve on the Onine Calibration Performance of Ultrasonic Flowmeter
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摘要: 为研究校准现场阻流件对超声流量计的干扰，对蝶阀下游超声流量计内部的流场进行大涡模拟，分析蝶阀开度、流量计流向和周向安装位置对声道上速度分布的影响规律。结果表明，蝶阀造成下游管内速度分布发生严重畸变，且随着超声流量计流向安装距离的增大，流态畸变的干扰作用逐渐减弱，修正系数对周向安装角的敏感度也逐渐下降，最大误差由0.12减小至0.04；超声流量计周向安装位置对其声道上速度分布具有显著影响，修正系数随着周向安装角的变化而波动，且距蝶阀越远，修正系数波动值越小，尤其是周向安装角为0°和180°，修正系数误差均小于0.04；管内流态畸变程度随着蝶阀开度的增大而减小，提高了超声流量计声道上速度分布的均匀性。通过研究，获得了蝶阀扰流条件下超声流量计的推荐安装位置，有助于提高在线校准的准确性。Abstract: In order to reduce the interference of flow obstructions on ultrasonic flowmeter online calibration, a large eddy simulation is performed on the flow field in the ultrasonic flowmeter downstream of the butterfly valve. The effects of the opening degree of the butterfly valve, the flow direction, and the circumferential installation position on the velocity distribution on the sound channel are analyzed. The results indicate that the butterfly valve causes severe distortion of the velocity distribution in the downstream pipe. With the increase of the ultrasonic flowmeter flow direction installation distance, the interference effect of the flow pattern distortion gradually weakens. The sensitivity of the correction coefficient to the circumferential installation angle also gradually decreases, and the maximum difference decreases from 0.12 to 0.04. The circumferential installation position of the ultrasonic flowmeter has a significant impact on the velocity distribution on its sound channel, resulting in fluctuations in the correction coefficient with the change of the circumferential installation angle. Furthermore, the farther away from the butterfly valve, the smaller the fluctuation value of the correction coefficient, especially when the circumferential installation angle is 0° and 180°, and the error of the correction coefficient is less than 0.04. The degree of flow pattern distortion in the pipe decreases with the increase of the butterfly valve opening, which improves the uniformity of the velocity distribution on the sound channel of the ultrasonic flowmeter. The recommended installation position of the ultrasonic flowmeter under the condition of butterfly valve disturbance is obtained, which is helpful in improving the accuracy of the online calibration.
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0. 引言
大口径流量计广泛应用于污水处理、自来水和城镇燃气供应等诸多行业，其受限于应用现场条件且无法保证计量过程的连续性而不便于拆卸，故流量计传统离线送检的溯源方式逐渐被在线校准方式所替代[1-3]。
便携式超声流量计因具有易安装、准确度高和不破坏原管路等优点而逐渐被用户所接受，但其作为速度式流量计易受管道内流速分布的干扰[4-5]。实际校准现场，管路往往较为复杂且检测空间有限，导致超声流量计上游不可避免地存在阀门、三通和弯管等扰流件，从而影响超声流量计在线校准的准确性[6-7]。近年来，学者们运用数值模拟和实验等手段对扰流工况下超声流量计的性能进行了大量研究。陈利琼等[8]利用数值模拟方法研究了不同布置形式弯头对超声流量计性能的干扰，发现弯头弯曲角度越大、曲率半径越小，对声道上速度分布的干扰越强。叶志烜等[9]也采用数值模拟方法研究了双偏心蝶阀下游管道内的流场特性，结果显示管道内出现由高速射流造成的二次流涡旋，这会对超声流量计声道上速度分布产生显著影响。吴波等[10]采用实验手段研究了闸阀扰流条件下外夹式与插入式多声道超声流量计的计量性能，发现插入式多声道超声流量计的抗扰流能力更强。田顺佳等[11]则研究了不同结构形式整流器对超声流量计声道上速度分布的影响，发现超声流量计不同声道布置形式对整流器的敏感度不同。陈洁等[12]提出了运用双阈值法处理超声波流量计信号，以提高信号测量的准确性。沈子文等[13]提出了过零检测法用于精确测量超声流量计信号传播时间，以提高计量精度。刘永辉等[14]采用数值模拟方法研究了发射装置对超声流量计性能的影响，并给出了降低影响的方法。何存富等[15]采用数值模拟实验方法研究了多声道超声流量计的计量性能，获得了最优的声道布置方案。张亮等[16]研究了斜插式超声流量计在不同探头安装位置条件下的误差来源，给出了合适的安装位置和误差修正方法。综上所述，学者们借助数值模拟和实验等手段从信号处理、超声探头等内部影响角度以及弯头、闸阀等外部影响角度研究了超声流量计的改进方案，有效提高了超声流量计的准确性和适用性。随着工业对流量计准确性要求的不断提高，超声流量计在线校准显得日益重要，但校准现场阻流件对超声流量计的影响研究相对较少，亟需探究现场阻流件对超声流量计性能的干扰规律，以提高其复杂工况下的在线校准确性。
鉴于此，本文从实际在线校准现场出发，采用大涡模拟方法研究不同开度蝶阀扰流工况下，单发射式超声流量计沿管道流向和周向安装位置对其计量准确性的干扰规律，结合声道速度分布和修正系数探索流量计沿流向和周向的推荐安装位置以及量化蝶阀开度的影响，从而形成超声流量计在线校准的指导方法以提高计量准确性。
1. 超声波流量计工作原理
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束的影响来测量流量的速度式仪表，根据信号检测原理可将其分为速度差法、多普勒法、波束偏移法和噪声法等类型，既可用于测量大管径的流体流量也可用于测量不易接触流体的流量，尤其可解决其它流量计不能测量的腐蚀性、非导电性、放射性和易燃易爆流体的流量测量问题。
图1给出了单反射式超声流量计的工作原理，通过测量超声波在流动流体中的顺流和逆流响应时间，再根据时差法的测量原理计算得出被测流体的流量[17-20]。
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图 1 单反射式超声流量计工作原理Figure 1. Working principle of single reflection ultrasonic flowmeter2. 物理模型与边界条件设计
建立物理模型如图2（a）所示，计量管管径d=1000 mm，蝶阀上游直管段长度为5.0d，以避免入口边界条件对数值模拟的影响，下游直管段长度为24.0d，以避免出口边界条件对数值模拟的影响。超声流量计沿流向分别安装在2.0d～6.0d位置处，以研究流向位置对其计量精度的影响。超声波流量计声道示意图如图2（b）所示，超声流量计绕管道轴线间隔45°进行周向安装，共计8个周向安装角度α，其中声道位于x−y平面时周向安装角α=0°，以研究周向安装角对计量精度的影响。蝶阀开度采用其与流向夹角β进行定义，开度β范围为40°～90°，间隔为10°即6个开度，以研究蝶阀开度β对超声流量计计量精度的影响。
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图 2 物理模型与超声波流量计声道示意图Figure 2. Schematic diagram of physical model and ultrasonic flowmeter channel利用ANSYS ICEM CFD软件对物理模型进行网格划分，其中蝶阀及其附近区域生成非结构化网格，上游与下游直管段则生成结构化网格，同时对管道壁面附近和蝶阀下游流量计声道区域进行网格加密处理。采用ANSYS Fluent软件对计量管内部流场进行数值模拟计算，其中计量管入口边界设置为速度入口条件，计量管出口边界设置为压力出口条件，静压为大气压。湍流模型选择大涡模拟方法，其直接对大尺度流动进行求解，小尺度流动则运用亚格子模型进行模化，亚格子模型选用WALE模型[18]，以更准确地预测蝶阀扰流作用下计量管内的流场分布。压力-速度耦合采用Simple方法，动量项离散采用中心差分格式，时间项离散选择二阶隐式格式，时间步长设置为1.0×10−4～4.0×10−4 s，待流场达到准稳态后进行统计平均以获得更为丰富的流场信息。
为验证本文所用大涡模拟方法的准确性和网格独立性，图3给出了90°弯头下游不同流向位置处实验和大涡模拟所得的修正系数，修正系数K定义为超声流量计声道线平均速度与管道横截面平均速度的比值，x/d表示距蝶阀的无量纲流向距离。由图可知，修正系数随着流向位置的增加而略有增大，而且当网格数量为300万时大涡模拟结果与实验数据吻合良好，由此可知本文所用大涡模拟方法能较好预测扰流条件下管道内的湍流流动，而且网格数量约为300万时即可满足模拟需求。此外，虽然弯头阻流件与蝶阀阻流件有所不同，但在一定程度上也能证明本文对蝶阀下游管内湍流流动的大涡模拟是可信的。
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图 3 弯头下游不同流向位置处的修正系数KFigure 3. Correction coefficient K at different flow direction positions downstream of elbow3. 结果与讨论
3.1 流向安装位置对超声流量计的影响
在蝶阀开度β =50°条件下，研究超声流量计沿流向安装位置对其计量精度的影响。
图4给出了蝶阀下游管道横截面上的时均速度云图。由图可知，管内流体因蝶阀阻挡作用而在管壁附近形成两个高速区，管道中心附近形成低速区，可知管道内流态畸变严重，从而影响超声流量计在线校准性能。沿流向发展，横截面上高速区内的流速及范围逐渐减小，可见横截面上的流速分布趋于均匀即管道内流动状态趋于充分发展。
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图 4 蝶阀下游管道横截面流向时均速度云图Figure 4. Velocity cloud map of average velocity in downstream pipe of the butterfly valve in cross-flow direction图5给出了不同流向位置处管道中心上的瞬时流向速度随时间的变化。由图可知，瞬时速度随时间存在明显的无规则脉动，这将影响超声流量计的计量性能。沿流向发展，瞬时速度的脉动幅值逐渐减小，这表明管道内流动稳定性逐渐提高。
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图 5 蝶阀下游管道中心上的瞬时速度变化Figure 5. Instantaneous velocity change on the centerline of downstream pipe of butterfly valve图6给出了蝶阀下游不同流向位置处声道上的速度分布。由图可知，声道上的速度分布存在明显的畸变，而且沿流向发展，速度分布的畸变程度随之降低，这表明管道内流态畸变程度逐渐降低。因此可知，蝶阀对超声流量计的负面影响随着流向安装距离的增大而逐渐减弱。
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图 6 不同流向位置处声道上的速度分布Figure 6. Velocity distribution on the channel at different flow directions图7给出了修正系数K随声道流向位置的变化趋势。从图中可以看出，修正系数K随着流向安装位置的增大而存在明显波动，表明超声流量计对流向安装位置较为敏感。同时，超声流量计流向安装位置逐渐增大，不同周向安装角条件下修正系数之间的差值随之减小，最大误差由0.12减小至0.04，减少了36%，由此可知超声流量计性能对周向安装角的敏感度随其流向安装位置的增大而减小。
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图 7 修正系数K随声道流向位置的变化趋势Figure 7. The change trend of the correction coefficient K with sound channel flow direction position3.2 周向安装角对超声流量计的影响
在蝶阀开度β=50°下研究超声流量计周向安装角对其在线校准性能的影响。
图8为不同流向位置处超声流量计声道上的速度分布，l/d表示距管道中心的无量纲径向距离。蝶阀导致下游管内流体发生严重流态畸变，x/d=2.0处声道线上的流速分布存在明显波动，而且周向安装角α=45°、90°与135°声道上的速度分别和α=225°、270°与315°声道上的速度呈反对称分布，而周向安装角α=0°和180°声道的速度呈对称分布。沿流向发展，超声流量计声道上的速度分布均呈此规律分布，但声道上速度的波动幅值逐渐减小，这表明超声流量计声道上速度分布的均匀度逐渐提高，蝶阀对在线校准的影响逐渐减弱；x/d=4.0处超声流量计声道上速度分布波动幅值较小，尤其是周向安装角α=0°和180°。由此可知，超声流量计周向安装角α=0°和180°时蝶阀对其干扰较小即计量精度较高。
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图 8 不同周向安装角时声道上时均速度分布Figure 8. Mean velocity distribution on the channel at different circumferential installation angles图9给出了修正系数K随超声流量计周向安装角α的变化。由图可知，在x/d=2.0处修正系数随着周向安装角的变化而明显波动，表明此处管内流动严重畸变，超声流量计沿周向安装位置对其计量精度具有显著影响。沿流向发展，修正系数随周向安装角的波动幅值逐渐减小，表明管内流动趋于均匀，超声流量计对其周向安装位置的敏感度逐渐降低， x/d=6.0处不同周向安装角条件下的修正系数较为接近。此外，周向安装角α=90°和270°时不同流向位置处的修正系数波动较大，最大误差高达0.15。周向安装角α=0°和180°时不同流向位置处的修正系数均较为接近，误差均在0.04以内，可知超声流量计周向安装角α=0°和180°可降低其对流向位置的敏感度，即计量精度较高。
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图 9 修正系数K随周向安装角α的变化趋势Figure 9. Variation trend of correction coefficient K with circumferential installation angle α3.3 蝶阀开度对超声流量计的影响
在周向安装角α=0°条件下研究蝶阀开度对超声流量计在线校准性能的影响。
图10给出了蝶阀下游管内纵截面上的时均速度与流线分布。由于蝶阀阻挡造成管道通流面积大大减小，蝶阀两侧形成高速射流，从蝶阀下方经过的高速流体沿阀板向上流动，在下游与从蝶阀上方经过的流体汇聚，可知蝶阀下游管内流态发生严重畸变，导致超声流量计的计量精度下降。沿流向发展，纵截面上的流速分布趋于均匀即管内流态畸变程度逐渐降低，从而对超声流量计的负面影响逐渐减弱。
图11给出了不同蝶阀开度时超声流量计声道上的速度分布。由图可知，超声流量计声道上的速度波动幅值随着蝶阀开度的增大而显著减小，可知蝶阀开度增大减少了其对下游管内流体的扰动，即减少了对超声流量计的干扰。沿流向发展，不同蝶阀开度条件下超声流量计声道上速度波动幅值均减小，可见流向安装位置对超声流量计在线校准性能具有更为显著的影响。
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图 11 不同流向位置处声道线上的速度分布Figure 11. Velocity distribution on the channel line at different flow directions图12给出了不同流向位置处修正系数随蝶阀开度的变化。由图可知，蝶阀开度对声道上的速度分布具有显著干扰，而且不同周向安装角时超声流量计修正系数变化规律也不相同。此外，随着蝶阀开度逐渐增大，超声流量计修正系数逐渐趋于稳定，即蝶阀对超声流量计的干扰逐渐减弱。需要注意的是，超声流量计周向安装角α=180°时蝶阀开度对其干扰无明显规律。
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图 12 不同流向位置处修正系数随蝶阀开度的变化Figure 12. Variation of correction coefficient with butterfly valve opening at different flow direction positions综上所述，本文从实际校准现场出发，采用大涡模拟方法模拟校准现场工况，研究了蝶阀阻流件对超声流量计内部流场的影响规律并给出了推荐安装位置，所得研究结果可在不增加任何辅助调节装置和成本的情况下，指导工作人员根据实际现场条件优化超声流量计在线校准方法以提高计量精度。
4. 结论
本文采用大涡模拟方法研究了超声流量计上游蝶阀对其在线校准性能的影响，分析了流向和周向安装位置以及蝶阀开度对超声流量计在线校准性能的干扰规律。主要得出以下结论：
1）蝶阀造成下游管内发生流态畸变，而且随着流向安装距离增大，超声流量计声道上的速度分布趋于均匀、速度脉动减小，即蝶阀的负面影响逐渐减弱。
2）超声流量计沿周向安装位置对其声道上的速度分布具有影响，而且周向安装角α=0°和180°时可降低其流向安装位置的敏感程度，从而减少蝶阀的不利干扰。
3）蝶阀使得管道通流面积减小，造成管道内流体形成高速射流、流速分布极其不均，而且蝶阀开度逐渐增大，高速射流现象明显减弱，超声流量计声道上的速度分布趋于均匀。
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图 1 单反射式超声流量计工作原理
Figure 1. Working principle of single reflection ultrasonic flowmeter
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图 2 物理模型与超声波流量计声道示意图
Figure 2. Schematic diagram of physical model and ultrasonic flowmeter channel
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图 3 弯头下游不同流向位置处的修正系数K
Figure 3. Correction coefficient K at different flow direction positions downstream of elbow
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图 4 蝶阀下游管道横截面流向时均速度云图
Figure 4. Velocity cloud map of average velocity in downstream pipe of the butterfly valve in cross-flow direction
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图 5 蝶阀下游管道中心上的瞬时速度变化
Figure 5. Instantaneous velocity change on the centerline of downstream pipe of butterfly valve
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图 6 不同流向位置处声道上的速度分布
Figure 6. Velocity distribution on the channel at different flow directions
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图 7 修正系数K随声道流向位置的变化趋势
Figure 7. The change trend of the correction coefficient K with sound channel flow direction position
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图 8 不同周向安装角时声道上时均速度分布
Figure 8. Mean velocity distribution on the channel at different circumferential installation angles
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图 9 修正系数K随周向安装角α的变化趋势
Figure 9. Variation trend of correction coefficient K with circumferential installation angle α
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图 11 不同流向位置处声道线上的速度分布
Figure 11. Velocity distribution on the channel line at different flow directions
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1. 赵卫国，涂溢民，郭华彬. 煤气超声波流量计计量准确性研究. 中国计量. 2024(04): 121-125 . 
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