CFD应用于三峡右岸机组多声路超声波流量计精度分析

　　0　引言

　　由于时差式多声路超声波流量计具有精度高、无扰流、无需现场校准、可长期在线运行等优点,作为水轮机效率试验和机组优化运行的流量测量的首选设备,为水电站广泛接受, ASME PTC-18 2002(美国机械工程师协会PTC-18标准)将多声路超声波流量计作为机组流量测量的首推方法之一,IEC60041(国际电工委员会60041标准)也将多声路超声波流量计作为水轮机、泵组验收试验流量测量的方法之一。虽然在IEC 60041中对多声路超声波流量计的安装条件进行了讨论,但在大量的实践证明:在非常短的直管段条件下,多声路超声波流量计同样可以获得较高的精度[1];本文采用CFD(计算流体力学)研究上游距离弯管不足1倍直管段条件下采用南瑞集团公司生产的UF-911型多声路超声波流量计的测量精度。

　　1　压力钢管水流数值模型的建立

　　根据某电厂的施工图纸,压力钢管和测流位置如图1所示,压力管道直径为12 400 mm,仅在斜管道上具有较长的直管道,但施工难度较大,因此测流断面选择在压力钢管水平直管段,距离上游弯管不足1倍的直径,非常具有代表性。

　　首先建立压力管道的流道模型,然后采用国际上成熟的流速场分析技术建立数值模型,为了具有典型意义,分别获得测量断面大(950 m3/s)、中(680 m3/s)、小(470 m3/s)三个流量的三维流速场仿真,见图2。

　　2　积分方法的选择

　　UF-911型多声路超声波流量计所采用的积分公式是按照IEC 60041标准推荐的流量计算公式,公式可表示为:

　　其中:D为管道直径;W′为是与采用的声路数和采用积分方法有关的系数;n为一个测量面所采用的声路数。

　　IEC 60041标准在推荐这个计算公式时也推荐了Gauss-Jacobi积分法和Gauss-Legendre积分法,采用Gauss-Jacobi积分法计算,声路间距满足等角度分割圆弧,符合圆形管道的特点,所以采用了Gauss-Jacobi积分法,将测流断面的流速场数值作为已知条件,代入交叉4声路(8声路)积分公式计算流量,验证积分误差,结果见表1。

　　3　多声路超声波流量计的精度分析

　　误差来源主要有:

　　·声路长的测量·声路角的测量

　　·面积的测量(管道半径的测量)

　　·传播时间的测量(流速的测量)

　　·积分方法的误差

　　(1)典型条件下的声路长测量是在管道无水的条件下进行的,大管道中采用最小分度为1 mm的钢卷尺测量,示值误差为0.5 mm,测量次数越多越精确,在实际中测量5~10次就可以满足要求,该管道测流段的直径为12 400mm,采用65°声路角的换能器,最大声路长为:12 400/sin 65°≈13 682 mm,最小声路长为12 400×cos72°/sin 65°≈4 228 mm,最大相对误差为0.012%,对于4个声路有: