原油、天然氣流體運輸過程中的流量監(jiān)測是安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，高精度的超聲波流量計能夠適應(yīng)不同管道結(jié)構(gòu)、不 同物性流體介質(zhì)的測量，有效降低了化學(xué)管道泄漏的損失。結(jié)合計算流體力學(xué)（FLUENT)軟件，建立了直管、T型管的三維管 道模型，并通過改變?nèi)肟诹髁俊⑻岣吖艿纼?nèi)壁粗糙度來分析管道截面流體流型的變化情況，進(jìn)而提出延長緩沖管道、優(yōu)化權(quán)重系數(shù)算法等方式來提高流量計的精確度。結(jié)果表明，流體流型受管道結(jié)構(gòu)的影響較大，隨著流速以及粗輕度的提高，流體的湍動程度也更加劇烈。

超聲波流量計得益于計算原理簡單、測量過程不與介質(zhì) 直接接觸、在不同管徑下精度較高、易于組網(wǎng)監(jiān)控等特點， 在化工領(lǐng)域的流體測量中越來越受到人們重視。超聲波流 量計是近年來儀器儀表領(lǐng)域的研究熱點，因其測量準(zhǔn)確、穩(wěn) 定性好，而且安裝使用非常方便。但是，能夠增加超聲波流 量計測量誤差的因素也很多，如能夠準(zhǔn)確計算超聲波在流體 中的傳播時間、管道內(nèi)流體是否是理想狀態(tài)下流動、換能器 接收信號的性能以及超聲波流量計的安裝位置等。

煉油廠中化工管路是運輸原油、天然氣以及其他化學(xué) 品介質(zhì)的主要方式。然而，由于實際工況下石油化工管道 結(jié)構(gòu)的差異，如90°彎管、T型管、變徑管等；加上輸送化學(xué) 品普遍具有腐蝕性，會增加管道內(nèi)壁的粗糙度，導(dǎo)致管道 內(nèi)流體流動狀態(tài)像非理想流體流動變化，進(jìn)而影響流量監(jiān) 測的精確度。

計算流體力學(xué)軟件（FLUENT)是當(dāng)今流體力學(xué)領(lǐng)域使 用比較廣泛的商業(yè)軟件，其模擬仿真結(jié)果比較貼近實際情 況，因此研究采用仿真的方法可以有效節(jié)省人力物力。目前 超聲波流量計的聲道算法大多是以理想流體流動為前提的， 當(dāng)管道結(jié)構(gòu)等條件發(fā)生改變后容易造成流型的突變，從而 影響測量準(zhǔn)確度。從當(dāng)前研究結(jié)果分析，對于上游阻流件 或管道內(nèi)壁粗糙度對流體流型以及流量計測量精度的影響 研究尚在起步階段。

本研究建立了直管以及T型管兩種工業(yè)常見石油化工管 道模型，考察了流體速度以及管道粗糙程度對于流型的影 響，以提高流量計的測量精度。

1.超聲波流量計原理

流體流動方向會對超聲波的傳播速度造成影響，這就 是基于時差法下流量計的檢測原理，也是流體速度、流量監(jiān) 測比較有效的方式。超聲波的傳播方向與流體同向，則傳播 時間會減少；如果與流體流動方向相反則傳播時間延長。

2.管道模型及仿真設(shè)置

2.1幾何模型的建立

考慮到管道上游阻流件結(jié)構(gòu)會造成管道內(nèi)出現(xiàn)渦流等 非對稱流型，其湍動程度也會發(fā)生變化，因此，建立直管及 T型管管道模型，分析流動狀態(tài)的改變對于超聲波流量計測 量精度的影響。管道結(jié)構(gòu)包括入口管道、出口管道以及上下 游直管段組成，管道直徑乃=50 mm，超聲波流量計安裝檢測 位置為距水平入口管道20D處。

2.2 FLUENT仿真設(shè)置

利用GAMBIT軟件進(jìn)行管道模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格的劃分， 將T型管道中垂直入口與水平入口交接處進(jìn)行加密處理，整 體模型網(wǎng)格數(shù)量50萬左右。選擇水作為流體介質(zhì)，由于觀察 非理想流動下流型的變化，因此管道內(nèi)流體雷諾數(shù)較高，屬 于湍流狀態(tài)，選擇RNG k-￡湍流模型進(jìn)行仿真計算。

為使仿真結(jié)果更加貼近實際情況數(shù)據(jù)，使模擬過程更 加合理化，要對FLUENT操作變量進(jìn)行設(shè)置。

(1)規(guī)定初始入口流速為0.3 m/s、1 m/s、2 m/s，對應(yīng)雷 諾數(shù)分別為5.0X104、1.6X105、3.3X105，使管道內(nèi)流體流動 形成3種明顯的湍動程度。（2)改變管道粗糙度，設(shè)定粗糙 高度為0 m、0.005 m、0.01 m，考察在管道光滑度不均勻情況 下如何對計算方法進(jìn)行修正，以提高超聲波流量計的測量 精度。

3.仿真結(jié)果討論

3.1速度場對管道內(nèi)流體流型的影響

圖1和圖2是直管及T型管結(jié)構(gòu)下管道內(nèi)流體流動的速度 分布云圖。通過仿真分析可以看到，不論流體在直管還是T 型管內(nèi)流動，由于水自身具有黏度、靠近管壁處存在邊界層 效應(yīng)，管道截面處流體流型均存在速度梯度，靠近管內(nèi)壁處 速度為零、遠(yuǎn)離壁面處流速相對較高，而且隨著上游管道形 狀以及初始流速的改變，流體受到的阻力也會隨之變化，導(dǎo)致流場分布的不均勻性。

當(dāng)流體入口速度由0.3 m/s提高至2 m/s后，管道雷諾數(shù) 從5.0X104變?yōu)?/span>3.3X105，流體的湍動程度有了較大幅度的提 高。對于直管，流體流速由0.3 m/s提升至1 m/s時管道內(nèi)速度 梯度分布比較規(guī)則，速度分布整體呈對稱分布，當(dāng)流速進(jìn)一 步提高至2 m/s后，管道內(nèi)任何微小的突起（如管道間焊接處 等）都會使流體流動的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而造成了速度云圖 的隨機(jī)性及無序性；在T型管中，兩股入口流體在管道交接 處會有渦旋產(chǎn)生，此時流體受到的離心力作用很強(qiáng)，速度最 大值等值面逐漸偏離軸心處，管道截面處會出現(xiàn)部分流速較 低區(qū)域，而且隨著管道雷諾數(shù)的提升這種速度極值面積更加 明顯。此時，可以采用延長下游緩沖管道長度，在工況允許 條件下將超聲波流量計安裝位置后移至完全發(fā)展流段等方 式來減少因為流型改變造成的測量誤差。

3.2管道粗輕度對于流體流型的影響

在化工廠實際生產(chǎn)中，管道輸送的化學(xué)品會發(fā)生沉淀， 使管道內(nèi)壁會有不同程度的突起，也就是粗糙度有所提高， 導(dǎo)致管道內(nèi)徑的減少。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著粗糙度的提 高，管道截面處流體的速度梯度越來越明顯，而且速度分布 對稱性逐漸降低。說明管道直徑在流量計測量的精確度方面還是非常重要的，如果不能定期對管道進(jìn)行測量和清洗， 可以通過優(yōu)化算法，調(diào)整超聲波流量計聲道系數(shù)來達(dá)到校 準(zhǔn)的目的，修正后的超聲波流量計可以將管道粗糙度造成的 測量誤差降到最低。

4.結(jié)語

本研究采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬仿真方式，研究了流體在直管、T型 管兩種管道模型下流場變化對超聲波流量計測量精度的影 響。隨著入口流速的提高，管道內(nèi)流體湍動程度逐漸提高， 速度等值面的非對稱性和無序性增強(qiáng)，通過加長直管段管 道長度、調(diào)整超聲波流量計的測量位置可以降低由于非理想 流體對于測量精度的影響；通過對管道內(nèi)部不同粗糙度的 模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速提高后不光滑的壁面會使流體流動方向發(fā) 生改變，從而造成管道截面整體流型的變化，實際測量中可 以針對不同管道的腐蝕程度，結(jié)合FLUENT進(jìn)行超聲波流 量計算法的優(yōu)化，調(diào)整權(quán)重系數(shù)已達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。

本研究采取的模擬仿真的分析方法對于不同管道類型、 不同流體介質(zhì)的流動情況分析同樣適用，在定性定量確定了 影響超聲波流量計測量精度的因素后，下一步可以搭建實驗 裝置，探索聲道位置、流量計安裝角度等因素對檢測結(jié)果的 影響。