超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性進行流量測量的設備。超聲波流量計具有測流精度高，對流道結構影響小，實時性強等特點，因而應用日益廣泛。近年來，隨著南水北調工程等大中型泵站的相繼投入使用，采用漸變等不規(guī)則流道的水電站和泵站也要求高精度的流量測試。傳統(tǒng)上常采用的鹽溶液法、五孔探針測流法、流速儀法和壓差法，存在精度差，對流態(tài)影響大等缺點。而超聲波流量計雖然具有上述優(yōu)點，但是其對流道要求比較高，一般應用于圓形、矩形、梯形等較規(guī)則斷面的流道，并且要求傳感器前后有一定長度的直管段，因而限制了其使用范圍。
淮安第三抽水站位于淮安市楚州區(qū)南郊，京杭大運河淮安船閘東側，裝有32GWN-42型葉輪直徑為3.19m的燈泡貫流式定漿水泵機組2臺套，設計抽水揚程4.2m，設計總抽水量66m3/s，總裝機容量3400kW，是江水北調的第二級抽水站之一，也是南水北調東線工程的重要環(huán)節(jié)之一。在開展淮安第三抽水站2號機組的能量試驗時，由于其進水斷面由方變圓，后部流道變?yōu)閳A臺并連接燈泡體的不規(guī)則斷面（見圖1），不滿足美國AC2CUSONIC公司生產(chǎn)的Model7510型超聲波流量計測量的要求。為了能夠更加準確的測量流量，減少誤差，因此進行淮安第三抽水站2號機組進水流道的模型試驗。通過模型試驗，尋求一種測量方式，使Model7510型超聲波流量計在該型流道中能夠輸出準確的流量值，同時也為其它復雜流道的泵站的流量測量提供了一個新的方法和借鑒。
圖1 淮安三站1剖面示意
2 試驗裝置及試驗方法
2.1 通過CFD對試驗模型的簡化
由于淮安三站2號機組進水流道形狀復雜，且含有燈泡體，如果*由試驗來模擬，將會使試驗變得異常復雜，因此，首先使用CFD軟件FLU2ENT分別對有燈泡體和無燈泡體時的流道進行數(shù)模計算，對兩種情況下的流態(tài)進行模擬。得到的無燈泡體和有燈泡體時的速度云圖如圖2所示。
由圖2可以看到，燈泡體對其附近的流態(tài)影響較大，而對遠離它的流態(tài)影響非常小。根據(jù)FLUENT輸出的結果分析，圖中2（b）第2條曲線左邊的流道，在有無燈泡體時流態(tài)基本相同。在此線以左安裝傳感器，在有燈泡體時和無燈泡體時將得到基本相同的結果。因此，可以對流道的模型進行簡化，將傳感器安裝在上述分界線左側，只對燈泡體前面的流道進行模擬，其結果將會和有燈泡體和轉輪時相同。
2.2 試驗方案
（a）無燈泡體
（b）有燈泡體
圖2 無燈泡體和有燈泡體時的速度示意
根據(jù)試驗臺的實際情況，考慮傳感器的測量范圍，依據(jù)力學相似準則，確定了線性比例尺δ為10，速度比例尺δv為4.5。制作流道模型。由于進水流道長度短，且斷面不規(guī)則，流態(tài)復雜，傳統(tǒng)的單層或者多層布置方式難以應用，因此采用新的布置方式，采用每兩條聲路交叉布置成一個聲路平面，4個聲路平面分別與水平面成±18°和±54°的方式。各聲路均過流道中心線的同一點。各聲路與流道中軸線之間的夾角為49°。超聲波傳感器的具體安裝位置及幾何尺寸如圖3所示。
圖3 測量點布置位置與尺寸
按照上述安裝方法安裝流速傳感器。分別組成1A-1B，2A-2B，3A-3B，4A-4B，-5B，6A-6B，7A-7B，8A-8B共8條聲路。其中1A-1B與8A-8B，2A-2B與7A-7B，3A-3B與6A-6B，4A-4B與-5B為交叉布置，共4對交叉聲路。采用此種布置方式，實際上是傳統(tǒng)的單層聲路測量方式的改進[8]，即將4個單層聲路以不同角度布置在管路中，通過取各聲路所測數(shù)據(jù)平均值的方式，減小流態(tài)不穩(wěn)定對測量帶來的誤差。為減小誤差，在超聲波傳感器安裝完畢后對各傳感器之間的距離和角度重新進行測量，并記錄測量數(shù)據(jù)。確認傳感器的位置以保證試驗時其位置不改變。檢查整個試驗臺氣密性，給試驗臺充水，并排出其中的殘留空氣。測量水溫，輸入數(shù)據(jù)采集計算機。在調試各傳感器正常工作后，開始試驗。試驗臺如圖4所示。
（a） 正視圖
（b） 俯視圖
圖4 試驗臺
依照比例系數(shù)從模型的zui大流量和zui小流量之間分別取8種大小不同的流量（其中包含設計流量）進行試驗。每次調整流量后等待數(shù)分鐘，待到試驗臺電磁流量計數(shù)值穩(wěn)定后，每隔30s從電磁流量計中讀取流量并做記錄，與此同時超聲波流速傳感器會每隔1s自動采集所在聲道的流速，每個流量下采集90s。
3 試驗數(shù)據(jù)及分析
通過觀察傳感器自動采集的數(shù)據(jù)，可以看到每個聲路在不同時間內測得的流速差距極大。取90s內的各聲路流速的平均值，得到穩(wěn)態(tài)時的平均速度。為了消除橫流誤差對測量的影響，對每對交叉聲路測得的流速取平均值[7]。同時為了減小誤差，對4對交叉聲路所測的平均流速再取平均值。也就是說在計算時不同的聲路取同一權重，為0.125，即取各聲路的平均流速為斷面平均流速。
然后將從電磁流量計中讀出的流量取平均值，作為準確的流量值。每次試驗中的流量與流速之間的比值，即為平均流速所在斷面的面積，也即流量與流速之間的比例關系。各流量下的平均流速，平均流量以及計算所得的平均斷面如表1所示。
將不同流量下的各試驗所得平均斷面取平均值，為0.137519m2，此值即為此種超聲波傳感器布置方式下的平均斷面。也即流量與平均流速間的比例關系。
表1 各流量下的平均斷面面積
根據(jù)試驗裝置的尺寸，平均斷面面積與聲路交點所在斷面的面積分別為0.137519m2和0.13828m2，考慮試驗可能帶來的誤差，以及為了試驗測量方便，選取聲路交點斷面為計算斷面。斷面半徑為0.2098m，面積為0.13828m2。即，該種安裝方式下流量計算式為：
式中
A———計算斷面面積，m2，取A=0.13828m2
v———流速，m2/s
以此斷面分別與各平均流速相乘得到的流量以及與實測流量間的誤差如表2所示。
表2 計算流量與實測流量對比
由表2可見，在常用各流量下，除在極小的流量下，試驗誤差全部在2%以內，且在額定流量附近誤差較小，為1.17%，滿足精度要求。
4 誤差分析
在試驗中，誤差主要分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差。
試驗中的隨機誤差主要由流道條件造成。由于該泵站進水流道極其復雜，且前后缺少足夠長的直管段（裝置前大于等于10D，裝置后大于等于5D，其中D為直徑），造成模擬流道內流態(tài)紊亂，測量數(shù)據(jù)有一定的波動，給試驗帶來誤差。
系統(tǒng)誤差是由某種固定的原因造成的，使測定結果系統(tǒng)偏高或偏低。當重復進行測量時，它會重復出現(xiàn)。系統(tǒng)誤差的大小、正負是可以測定的，至少從理論上來說是可以測定的，所以又稱可測誤差。系統(tǒng)誤差的zui重要的特性，是誤差具有“單向性”。本試驗系統(tǒng)誤差主要有以下幾種：
?。?）聲路長度造成的誤差。從式中看到，流速與聲路長度成正比，由于試驗裝置內的幾何尺寸由鋼尺測量，由此引起的誤差可保持在0.2%以內。
?。?）聲路角造成的誤差。流速與聲路角的余弦成反比。在交叉聲路安裝方式中，該誤差是可忽略的。
（3）橫流誤差。當流線方向與軸線不平行時，流速會產(chǎn)生分量，對超聲波測速器帶來測量誤差。采用交叉聲路布置，可以有效減小這種誤差。
5 結論
（1）FLUENT數(shù)值模擬計算表明，不考慮燈泡體和轉輪，只對燈泡體前面的進水流道進行模擬，與考慮有燈泡體和轉輪時的結果基本相同。通過數(shù)模計算，確定了超聲波傳感器的安裝位置；
?。?）物理模型試驗表明，在此種傳感器安裝方式下，各聲路的權重均為0.125，測量時取各聲路測得流速的平均值。以此權重計算得到在模型試驗中各傳感器所測得的平均流速與實際流量間的比例關系，為0.137519；物理模型流量計算斷面的半徑為0.209m的斷面，即聲路與流道交點所在斷面。根據(jù)幾何相似關系，在現(xiàn)場測試中取斷面半徑為2.09m的斷面；
（3）除極小流量工況外，其余工況下實測流量誤差均在2%以內，在額定工況附近誤差為1.17%，滿足實際需求，說明該測量方式可行；
?。?）提出并驗證了超聲波流量計在不規(guī)則流道中新的應用方式，同時也為其它復雜流道中的應用提供了新的方法和借鑒。
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