1導(dǎo)言

隨著天然氣運輸貿(mào)易的發(fā)展，天然氣需求量將越來越高。當(dāng)前運輸天然氣常見的方式就是通過管道運輸，因此對天然氣輸送量的精確監(jiān)測對于預(yù)防管道泄漏等安全事故有著重要意義。而從當(dāng)前研究文獻(xiàn)來看，關(guān)于超聲波流量計在天然氣流量監(jiān)測測量中的精度影響因素報道比較少見。天然氣由于密度、黏度均低于空氣，因此在相同實驗條件下其管道內(nèi)流體速度分布也會有很大區(qū)別。

2檢測原理

2.1超聲波流量計測量原理

通過流量計上、下游探頭來測量超聲波在氣體管道的順流、逆流響應(yīng)時間，得出體積流率的計算公式如下：

式中，vm———管道截面速度

vL———聲道上流體平均線速度

L———流量計探頭之間的聲道長度

t1和t2———分別表示管道內(nèi)流體順流、逆流的傳播時間

θ———聲道與管道軸線的夾角

Q———管道內(nèi)流體的體積流量

A———管道的橫截面積

K———修正系數(shù)

2.2管道內(nèi)氣體速度分布

由于氣體的黏度作用，管道截面處流體速度呈梯度分布，管道中心軸線處流速，貼近管道壁面處流速為0，當(dāng)管道內(nèi)任意位置截面處氣體速度分布情況相同，則認(rèn)為氣體流動達(dá)到充分發(fā)展。根據(jù)雷諾數(shù)大小可以將流體流動狀態(tài)分為2種，即層流狀態(tài)和湍流狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)流體速度分布

當(dāng)雷諾數(shù)低于2300時，流體受黏性力影響較大，流體以分層的方式移動；當(dāng)雷諾數(shù)高于2300后流體變成湍流狀態(tài)，隨著雷諾數(shù)的提高管道截面處各點速度分布更加均勻，此時流體的慣性力成為主導(dǎo)。雷諾數(shù)的計算公式如下：

式中，d ——— 管道直徑

u ——— 流體流速

ρ ——— 流體密度

μ ——— 流體黏度

3仿真設(shè)置及實驗方法

3.1管道模型與網(wǎng)格劃分

建立如圖 3 所示的組合雙彎管和變徑管 2 種管道模型示意圖，分析渦流及流速突變等情況對于超聲波流量計測量精度的影響。

圖3 管道模型示意圖

管道裝置包含緩沖管道、上游阻流件、雙聲道超聲波流量計、出口管道 4 部分，管道直徑 D =40 mm。設(shè)置上游緩沖管道及出口管道長度為 10D 即可滿足大多實際工況下的測量要求，此時可以調(diào)整緩沖管道長度來研究超聲波流量計的安裝位置。利用 GAMBIT 軟件建立三維管道模型，網(wǎng)格類型以四面體為主，采用 TGrid 方式進(jìn)行劃分，整體網(wǎng)格尺寸設(shè)為 4，對彎管處、管道變徑處單獨進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，局部網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 2，生成網(wǎng)格總量約為40 萬。

3.2邊界條件與仿真設(shè)置

管道入口處設(shè)置為速度入口（Velocity-inlet）、管道出口處設(shè)置為自由流出口（Outflow）、其余設(shè)置為壁面條件（Wall）。管道內(nèi)流動介質(zhì)為甲烷，密度 0． 78 g/L，流體與壁面接觸無滑移。當(dāng)管道內(nèi)雷諾數(shù)低于 2300時選擇 Lamina 模型，當(dāng)管道內(nèi)氣體處于湍流狀態(tài)時選擇 ＲNG k-ε 湍流模型進(jìn)行求解；流體流動采用一階隱式求解方法，壓力-速度耦合方式采用 SIMPLE 算法。選擇連續(xù)相方程、動量方程來計算流體的運動行為。連續(xù)性方程：

動量方程：

式中，ρ ——— 流體密度

t ——— 時間

u ——— 速度矢量

τ ——— 牛頓黏性應(yīng)力

f ——— 流體所受體積力

為全面研究超聲波流量計在各種流體流動形態(tài)下的測量精度，對操作變量參數(shù)設(shè)置如下：

（1）為使流體流動覆蓋層流至湍流下多種狀態(tài)，設(shè)置管道入口速度為 0． 2，0． 5，2，10，20 m/s，此時雷諾數(shù)分別為 492，1229，4916，2． 45 ×10 4，4． 91 ×10 4；（2）以 10D 位置處彎管模型、10 m/s 的管道流速為例，分析全縮探頭對于管道流場速度分布的影響；（3）改變下游緩沖管道長度，設(shè)定長度在2D ～20D間，研究流量計不同安裝位置下對測量結(jié)果的影響，測量點設(shè)置在距超聲波流量計入口 4D 處；（4）規(guī)定5 種聲道位置，其位置描述方式為聲道路徑到管道截面中心的距離與管道直徑的比值（L/D），如表1 所示。

表1 聲道位置

此外，為確保仿真精度，需要進(jìn)行網(wǎng)格敏感性驗證，對比網(wǎng)格總數(shù)約為 40 萬和 60 萬的模型在不同入口流速下其計算結(jié)果的差異，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果對于網(wǎng)格密度變化的敏感性較小，由于篇幅限制分析過程在此不再贅述。

3.3實驗裝置與實驗方法

實驗室綜合測試平臺如圖 4 所示，可以改變管徑尺寸、阻流件結(jié)構(gòu)、流量計類型等進(jìn)行實驗研究。選取部分管段及儀表作為本次實驗的檢測裝置，進(jìn)氣裝置提供流量穩(wěn)定的天然氣并將其輸送進(jìn)入管道系統(tǒng)，并通過閥門對進(jìn)氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；檢測管段中安裝雙彎管或變徑管作為上游阻流裝置，在緩沖管道固定位置處安裝雙聲道超聲波氣體流量計，通過測量儀表來檢測實際氣體流量。

實驗中，流體流速從 0 ～ 20 m/s 依次遞增進(jìn)行測量，每次測量采集數(shù)據(jù) 80 組，通過信號處理來計算流量，與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對比。

4結(jié)語

通過 Fluent 仿真的方法對天然氣管道運輸中造成測量誤差的影響因素進(jìn)行了研究，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)驗證了仿真方法的可信性。在分析了超聲波流量計探頭結(jié)構(gòu)對于流量計測量位置處流場分布的影響以及不同下游緩沖管道長度下流量計的測量穩(wěn)定性后，對雙聲道超聲波流量計的聲道位置進(jìn)行了討論。結(jié)果表明，流量計全縮結(jié)構(gòu)會使流體產(chǎn)生回流并產(chǎn)生負(fù)向速度；超聲波流量計據(jù)上游管道距離至少為10D 才能保證相對誤差變化平緩、管道內(nèi)流體充分發(fā)展；通過對修正系數(shù) K 隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律得出聲道位置為距管道截面中心 0． 25D 處，此時修正系數(shù)隨管道形狀、雷諾數(shù)的變化幅度小。研究方法及影響因素的變化趨勢對于不同物性的氣體測量精度的提高同樣適用。