上游彎管對鍋爐水超聲波流量計(jì)影響
摘要:為了研究上游彎管的設(shè)置對超聲波流量計(jì)測量工業(yè)鍋爐水流量準(zhǔn)確性的影響，基于時差法超聲波流量計(jì)測量原理，建立不同直徑、不同流量的鍋爐管道彎管物理模型，給定相應(yīng)邊界條件，采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬求解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彎管下游管道內(nèi)的速度呈非理想均勻分布狀態(tài)，對水流量測量的準(zhǔn)確性影響較大:流量的理論測量值均比實(shí)際值小，且在不同測量位置，測量的相對誤差在一15%~1%之間波動;在前10 D范圍內(nèi)，測量的準(zhǔn)確度隨測試位置與彎管距離的增大而增加，在10~40D范圍內(nèi)，測量的準(zhǔn)確度在5%以內(nèi);同一測量條件下，流量測量的準(zhǔn)確度隨管內(nèi)工質(zhì)流量的增大而減小;在流量全測量范圍內(nèi)，管徑越大，流量測量的相對誤差的變化區(qū)間越小，即誤差曲線越平緩。
0、引言：
流量是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的三大檢測參數(shù)之一，是工業(yè)鍋爐熱工性能計(jì)算的基本參數(shù)川，其測量的準(zhǔn)確性對工業(yè)鍋爐的能效評價和節(jié)能技改起著至關(guān)重要的作用。
近年來，國內(nèi)外學(xué)者一直重視管道流量測量的準(zhǔn)確性研究，發(fā)現(xiàn)由于管道上游阻力件的影響，流速的分布為非常數(shù)，包含徑向分布、漩渦及二次流，其中二次流的強(qiáng)度與流體的雷諾數(shù)有關(guān)。在實(shí)際流體勃性的作用下，流體經(jīng)過彎頭后管道流速呈不均勻分布，通過30一50倍管徑長度的直管段后，流速分布趨于一種較為固定的形式，即充分發(fā)展紊流區(qū)。
流量計(jì)被應(yīng)用到流量測量的各個領(lǐng)域。超聲波流量計(jì)是目前***有發(fā)展前景的新技術(shù)流量計(jì)，其應(yīng)用***廣泛的測量方法是傳播速度差法中的時差法。針對時差法超聲波流量計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)際安裝中彎管的應(yīng)用，流體速度場分布不對稱，使得傳統(tǒng)流量系數(shù)曲線不可能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)管道中存在由徑向速度分量形成的渦流時，時差法超聲波流量計(jì)所測得的線平均流速與實(shí)際真實(shí)流速間存在較大差異，產(chǎn)生了流量誤差。另外，彎管直徑、管壁粗糙度及安裝位置等對流量測量的準(zhǔn)確性也有一定的影響。
時差法超聲波流量計(jì)1. 1時差法測量原理 時差法是通過測量超聲波在流體中順流傳播時間與逆流傳播時間的時間差計(jì)算得出流速。圖i為時差法流速測量原理圖，其中:e為換能器與管道的安裝角度;z,為兩個換能器之間的距離;D為管道的直徑;超聲波在靜止流體中的傳播速度為co ,管道內(nèi)流體運(yùn)動速度為。
圖1時差法流速測量原理圖
管道內(nèi)流體流量計(jì)算式為，其中k為流量修正系數(shù)。
1. 2、流量修正系數(shù)：
流量修正系數(shù)k定義為超聲波傳播路徑上的線平均速度uL與管道截面的面平均流速u、的比值，即k = uLlua。當(dāng)管道內(nèi)流體雷諾數(shù)Re>105時，流量修正系數(shù)利用尼庫拉茲摩擦系數(shù)加以修正，如式(2)所示，即
1. 3、流量相對誤差：
流量相對誤差定義為
平均速度后，應(yīng)用式(1)求出來的理論流量值;口真值是根據(jù)鍋爐容量和管徑算出來的流量值，也是模擬流量的設(shè)定值。流量相對誤差的值越大，流量測量的準(zhǔn)確性越低。
2、數(shù)值模擬：
2. 1、數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分：
選取具有代表性的6種管徑、12種流量的蒸汽、熱水鍋爐進(jìn)水彎管，表1為選取的蒸汽鍋爐進(jìn)水彎管數(shù)值模擬參數(shù)表，表2為選取的熱水鍋爐進(jìn)水彎管數(shù)值模擬參數(shù)表。
表 １ 蒸汽鍋爐進(jìn)水彎管數(shù)值模擬參數(shù)表表 ２ 熱水鍋爐進(jìn)水彎管數(shù)值模擬參數(shù)表
圖 ２ 測量段位置示意圖
圖 ３ 彎管計(jì)算模型三維網(wǎng)格示意圖圖 ４ 彎管橫截面網(wǎng)格示意圖
在 ＩＣＥＭ 里劃分好網(wǎng)格后，定義進(jìn)口條件為速度入口，出口條件為自由流出。 本文模型均采用ＳＩＭＰＬＥ 算法，設(shè)置為定常流動，選用的湍流模型為ＲＮＧκ－ε 模型，流動介質(zhì)均為水，其管徑、溫度、壓力的取值如表 １、表 ２ 所示。 仿真流速由鍋爐的蒸發(fā)量或額定出力計(jì)算得出。 因鍋爐管道常用無縫鋼管，管 壁 粗 糙 度 設(shè) 置 為 ０