1導(dǎo)言

隨著天然氣運(yùn)輸貿(mào)易的發(fā)展，天然氣需求量將越來越高。當(dāng)前運(yùn)輸天然氣常見的方式就是通過管道運(yùn)輸，因此對(duì)天然氣輸送量的精確監(jiān)測(cè)對(duì)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(jì)在天然氣流量監(jiān)測(cè)測(cè)量中的精度影響因素報(bào)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(shí)驗(yàn)條件下其管道內(nèi)流體速度分布也會(huì)有很大區(qū)別。

2檢測(cè)原理

2.1超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

通過流量計(jì)上、下游探頭來測(cè)量超聲波在氣體管道的順流、逆流響應(yīng)時(shí)間，得出體積流率的計(jì)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(jì)探頭之間的聲道長(zhǎng)度

t1和t2———分別表示管道內(nèi)流體順流、逆流的傳播時(shí)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(dòng)達(dá)到充分發(fā)展。根據(jù)雷諾數(shù)大小可以將流體流動(dòng)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(shí)，流體受黏性力影響較大，流體以分層的方式移動(dòng)；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(diǎn)速度分布更加均勻，此時(shí)流體的慣性力成為主導(dǎo)。雷諾數(shù)的計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)于超聲波流量計(jì)測(cè)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(jì)、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(zhǎng)度為 10D 即可滿足大多實(shí)際工況下的測(cè)量要求，此時(shí)可以調(diào)整緩沖管道長(zhǎng)度來研究超聲波流量計(jì)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(duì)彎管處、管道變徑處單獨(dú)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(dòng)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(shí)選擇 Lamina 模型，當(dāng)管道內(nèi)氣體處于湍流狀態(tài)時(shí)選擇 ＲNG k-ε 湍流模型進(jìn)行求解；流體流動(dòng)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(dòng)量方程來計(jì)算流體的運(yùn)動(dòng)行為。連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

式中，ρ ——— 流體密度

t ——— 時(shí)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(jì)在各種流體流動(dòng)形態(tài)下的測(cè)量精度，對(duì)操作變量參數(shù)設(shè)置如下：

（1）為使流體流動(dòng)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(shí)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(duì)于管道流場(chǎng)速度分布的影響；（3）改變下游緩沖管道長(zhǎng)度，設(shè)定長(zhǎng)度在2D ～20D間，研究流量計(jì)不同安裝位置下對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在距超聲波流量計(jì)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(yàn)證，對(duì)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(jì)算結(jié)果的差異，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果對(duì)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(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)室綜合測(cè)試平臺(tái)如圖 4 所示，可以改變管徑尺寸、阻流件結(jié)構(gòu)、流量計(jì)類型等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。選取部分管段及儀表作為本次實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)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(duì)進(jìn)氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；檢測(cè)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(jì)，通過測(cè)量?jī)x表來檢測(cè)實(shí)際氣體流量。

實(shí)驗(yàn)中，流體流速從 0 ～ 20 m/s 依次遞增進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量采集數(shù)據(jù) 80 組，通過信號(hào)處理來計(jì)算流量，與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對(duì)比。

4結(jié)語

通過 Fluent 仿真的方法對(duì)天然氣管道運(yùn)輸中造成測(cè)量誤差的影響因素進(jìn)行了研究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真方法的可信性。在分析了超聲波流量計(jì)探頭結(jié)構(gòu)對(duì)于流量計(jì)測(cè)量位置處流場(chǎng)分布的影響以及不同下游緩沖管道長(zhǎng)度下流量計(jì)的測(cè)量穩(wěn)定性后，對(duì)雙聲道超聲波流量計(jì)的聲道位置進(jìn)行了討論。結(jié)果表明，流量計(jì)全縮結(jié)構(gòu)會(huì)使流體產(chǎn)生回流并產(chǎn)生負(fù)向速度；超聲波流量計(jì)據(jù)上游管道距離至少為10D 才能保證相對(duì)誤差變化平緩、管道內(nèi)流體充分發(fā)展；通過對(duì)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(shí)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(shì)對(duì)于不同物性的氣體測(cè)量精度的提高同樣適用。