针对时差式超声波流量计测量精度受管道条件影响较大的问题，在流量计前端安装整流器，以减少管道中出现的二次流、涡流等由于弯头等流动障碍。 现象，从而满足测量精度的要求。 整流器由风扇叶片、直管混合区和多孔管段三部分组成。 风扇叶片设计有8叶片、10叶片、12叶片三种形式。 通过计算流体力学（CFD）数值模拟分析管道内流速分布形状与线速度分布的一致性。 仿真结果表明，整流叶片数为12时整流效果**。采用标准流量计流量标准装置对12叶片整流器的整流效果进行测试验证。 测试结果表明，12片叶片整流器不仅能满足超声波流量计的测量精度，而且缩短了上游弯管与超声波流量计之间的直管距离。 超声波流量计在工业、商业等天然气输送管道中的应用优势明显。

0 前言：

超声波流量计作为电子流量计目前**应用于工业、军事、医疗等领域[1]。 超声波流量计作为速度式流量计，其测量精度受管道条件影响较大。 理想的安装条件是管道内流体充分发展。 但在实际应用现场，由于弯头、阀门等流动障碍物的存在，导致管道内流体的速度分布扭曲，速度分布不对称。 因此，只有保证超声波流量计上游有足够长的直管段才能满足其测量精度[2]。 在一般现场应用中，往往不能满足足够长的直管段的要求。 因此，在满足超声波流量计测量精度的前提下，必须缩短直管段长度。

当管道内的流体流经弯头时，会发生二次流动，且下游一定范围内的流动是不对称的。 叶TT等人。 文献[3]对非理想条件下的超声波流量计进行了数值模拟。 由于受到强烈二次流的影响，应用传统的流量系数曲线无法获得准确的测量结果。 王雪峰等. 文献[4]根据弯管的安装条件和设计参数，应用数值模拟技术和实验技术，分析了气体超声波流量计误差的原因。 他们得出结论，弯头的直径和安装位置对流量测量误差有一定的影响。 本文应用计算流体动力学（CFD）方法来设计整流器。 应用试验证明，该整流器能够满足测量精度要求，同时缩短超声波流量计上游直管段长度。

1、超声波流量计时差法测量原理：

根据信号检测原理的不同，超声波流量计的测量方法主要有时差法、多普勒法、波束偏移法​​、噪声法、涡街法和相关法等[5-6]。 本文介绍的超声波流量计的测量方法是渡越时间法。 渡越时间法根据声波在流体中的顺流传播时间和逆流传播时间计算流体的流速[7-8]。 时差法的测量原理如图1所示。

图1 时差法测量原理图图1

超声波在管道中的顺流传播时间tup和逆流传播时间tdown为：

式中：θ为超声波传播方向与气流方向的夹角； L为超声波在流体中传播的有效长度； D为管道直径； C0为超声波在静止流体中的传播速度； v0 是管道中流体运动的速度。 。

由式（1）和式（2）可得：

式中：KR为雷诺数修正系数； S为管道横截面积； Qc是管道中的流量。

2、整流器结构设计：

本文设计的超声波流量计整流器由三部分组成：前端为均匀分布的风扇叶片，中间为直管混合区，后端为多孔管段。 由于流量计上游存在各种流动障碍物，导致管道内流场分布不均匀，还存在二次流等扰动现象。 因此，整流器的前端设计为风扇叶片的形式，使不均匀的流体流经风扇叶片后，流场重新分布，消除二次流、涡流等现象。 由于叶片数量太少不能充分混合流场，而叶片太多又会增加压力损失，因此将风机叶片数量设计为8片、10片、12片，并分别进行验证。 整流器结构中间有一段直管段，为流体经过风扇叶片后提供了一个流体混合区域，使其有足够的空间稳定流场分布。

整流器的后端是多孔管段。 由于传统整流器的开路结构不合理，整流效果较差，本文根据文献[9]描述的方法进行设计。 在整流器横截面上选择多个节圆。 首先确定整流器导孔总面积与管道截面积的对应关系，然后根据对应关系确定导孔总面积和数量，**确定孔径每个节圆上导孔的尺寸位置。 按此方法，首先在整流器截面上取5个节圆：在**个节圆上开4个直径为7.64毫米的导向孔； 在第二节圆上开8个直径为5.62毫米的导向孔； 在第三个节圆上开4个直径7.5毫米的导向孔； 在第四个节圆上开8个直径为6.03毫米的导向孔； 在第五节圆上开8个导向孔。 流孔，直径6.34毫米。 为了使流体通过多孔管段后能够充分整流，多孔管段的长度设置为20mm。

3、数值模拟结果及分析：

3.1. 数值模拟计算模型：

本文所述超声波流量计管道内径D=50 mm，流量范围为（4~160）m3/h，测量精度为1级。水平中心安装一对超声波换能器平面流量计形成单通道测量形式。 在超声波流量计入口处安装整流器。 流量计上游直管段至单个弯头的距离为5D，弯头半径为R=1.5D。

利用流体力学计算软件模拟了单弯管情况下超声波整流器的整流效果。 其中：单弯管、整流器、超声波流量计部件采用三维非结构化网格； 直管段采用结构化网格； 网格总数约为150万个。 流体介质为常温、标准大气压下的空气； 入口边界条件为速度入口，出口边界条件为自由流出； 入口模拟流量分别为(4,16,40,64,160)m3/h，计算时采用k-ε。 湍流模型[9-10]。

3.2. 数值模拟结果及分析：

渡越时间法超声波流量计通过计算射线线速度引起的顺流和逆流的时间差来计算流量。 因此，射线上线速度分布是否均匀将对流量计的测量精度产生一定的影响。 但流场分布不均匀会直接影响线速度分布。 利用仿真软件对8叶片、10叶片、12叶片整流器在单弯情况下进行仿真。 其中，单个弯头与流量计的距离为5D。 当流量相同时，射线上的线速度无量纲，得到如图2所示的线速度分布图。 从图2可以看出，当流量为4 m3/h和160 m3/h时，叶片数为12时射线上的线速度比8叶片和10叶片时分布更均匀，且一致性较好，同时满足压力损失要求。 。

图2 线速度分布图图2 线速度分布图

整流器的效果还可以根据流量计中间位置纵截面上的速度分布来判断。 当流量为4m3/h和160m3/h时，整流器叶片分别为8片、10片、12片时流量计中间位置的纵截面。 纵断面速度等值线图如图3所示。

图3 纵截面速度云图示意图图3

从图3可以看出，当叶片数量为12个时，流量计中间位置的流速比较均匀，不存在二次流现象，即整流效果**。 因此，整流器的叶片数量为12片。

4、气体流量标准装置测试：

4.1. 测试计划：

根据数值模拟结果，在流量计中安装了12片叶片的整流器进行实验验证。 测试装置为气体流量标准装置。 该装置主要由风机、阀门、标准仪表、管道、变频器和控制系统组成。 是一种**气体流量标准装置。 基于封闭管道内气体连续性原理，将被检表与标准表串联，在相同工况下完成校准和检定。 本气体流量标准装置采用负压法进行测量。 工作介质为空气，流量范围为（0.5~2 000）m3/h，流量调节精度为±0.5%，测试管径为DN15~DN2 000，因此可以采用本文所述的超声波流量计被测试了。

4.2. 检测结果：

将流量计安装在气体流量标准装置上，并在流量计进口处安装10D直管段和单弯管进行测试。 弯头与流量计之间的直管段为5D，测试流量点为（4、16、40、64、160）m3/h，测试环境温度为25℃，按标准输出信号设备控制系统通过被测仪表发出脉冲。 进行计数，实现累积流量测量，并得出输出值误差。 测试结果如表1所示。根据表1可以看出，单根弯管情况下的示值误差与10D直管段的示值误差的平均偏差在±范围内0.3%，满足±1%的测量精度要求。 因此，可以证明，本文设计的整流器不仅能够满足测量精度的要求，而且能够缩短弯头与流量计之间的直管距离。

表1 测试结果 Tab.1 测试

5、结论：

本文采用CFD数值模拟和气体流量标准装置测试方法。 当上游阻流件为单弯头时，分析了所设计的整流器对超声波流量计管道内流体的整流效果。 由数值模拟可知，当整流叶片数量为12片时，换能器在射线上的线速度分布均匀，管内断面速度分布均匀，整流效果为好的。 采用气体标准装置试验对12叶片整流器进行验证。 结果表明，本文设计的整流器可以减小单个弯管引起的误差偏差值，同时缩短单个弯管之间的直管段与流量计之间的距离。 ，满足测量精度要求。