根據(jù)計算流體力學原理（CFD），對不同的管道條件進行數(shù)值模擬，分析管道內流場分布情況，并通過實流試驗和CFD數(shù)值模擬試驗的結果比較，討論了影響在線流量計檢定結果的因素。將CFD技術應用到現(xiàn)場在線流量計檢定，能夠優(yōu)化檢定結果，保證數(shù)據(jù)的可靠性，從而更好解決一部分不能離線檢定的流量計的量值溯源問題。
　　
　　0引言
　　
　　液體流量計是工業(yè)生產、貿易結算、節(jié)能減排中*的計量器具，被列入國家強制檢定計量器具目錄。后續(xù)檢定時，經常需要離線檢測流量計，而有些使用單位由于連續(xù)生產無法停流，使得一些使用中的流量計不能及時拆卸、按周期進行檢定，準確性難以確認。同時，對大口徑流量計拆裝和運輸送檢又十分麻煩。為此，多數(shù)企業(yè)配備了便攜式超聲流量計用以在線自校自檢。此外，許多法定計量機構也在日常工作中使用便攜式超聲流量計進行在線檢定。但在使用過程中，超聲流量計的現(xiàn)場工作條件與實驗室校準的工作條件相差很大，準確度有一定偏離。
　　
　　針對上述問題，本文根據(jù)計算流體力學原理（簡稱CFD），對不同的管道條件進行數(shù)值模擬，得出管道內流場分布結果。通過部分安裝條件下的現(xiàn)場檢定數(shù)據(jù)與流場數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行比較，進一步討論影響在線液體流量計檢定結果的參數(shù)并評估其影響量。希望通過使用數(shù)值模擬的方法能夠優(yōu)化檢定結果，保證數(shù)據(jù)的可靠性，
　　
　　1實流現(xiàn)場試驗
　　
　　1.1試驗方案
　　
　　試驗中使用1.0級外夾式超聲流量計，設定所有試驗均在DN100管道、介質為水、流量為100m3/h條件下，測量結果與0.2級電磁流量計標準表進行比較，測量數(shù)據(jù)6次為一組，其中1~8數(shù)據(jù)組前直管段大于15D。
　　
　?。?）再現(xiàn)性
　　
　　測量超聲流量計在不銹鋼管道上的誤差及重復性，測一組數(shù)據(jù)。同一操作人、同一安裝條件下，進行超聲流量計再現(xiàn)性試驗，測兩組數(shù)據(jù)。三組數(shù)據(jù)合并比較。
　　
　?。?）管壁影響
　　
　　將試驗1的后一次試驗完成后，所得數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)。不用重新拆裝超聲流量計，僅更改壁厚參數(shù)，測兩組數(shù)據(jù)。
　　
　?。?）內襯影響
　　
　　分別安裝四種不同內襯（a無內襯有少量銹跡、b灰漿、c油漆、d聚四氟乙烯）的碳鋼短管至DN100臺位，比較不同內襯情況下的測量結果。各測一組數(shù)據(jù)（100m3/h流量點），如無信號酌情放棄。
　　
　?。?）流場影響
　　
　　超聲流量計在含調節(jié)閥（如球閥）、彎管等不同管道條件下，比較測量結果。
　　
　　1.2試驗數(shù)據(jù)
　　
　　分析一：超聲流量計重復性及再現(xiàn)性對于在線檢定的影響。數(shù)據(jù)（1~3）由同一人在同一測量條件下得出：三組重復性均小于0.2%滿足要求，但三組在同一測量點重復拆裝的誤差值相差接近0.4%，這相對于1.0級的標準表是不可忽略的。因此安裝超聲流量計進行在線檢定時必須要求操作人員謹慎仔細，按照操作規(guī)程及超聲使用要求進行安裝。同時，取三組試驗數(shù)據(jù)的平均值0.17%為誤差參考標準值。
　　
　　分析二：管道壁厚及內徑參數(shù)對于在線檢測的影響。試驗（3）和數(shù)據(jù)（4）反映了在測量及設定管道壁厚時應盡量保證管道壁厚數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)（4）中壁厚減小0.5mm，測量結果偏移0.37%；而壁厚值或內徑差超過1mm時超聲流量計提示“信號差或參數(shù)有誤”，顯示流量約300m3/h遠超過標準值。
　　
　　分析三：管道內襯對于在線檢定的影響。試驗中分別安裝了四種不同內襯的碳鋼短管，因聚四氟乙烯該種材質無信號，現(xiàn)場得到三組數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)（5~7）。由數(shù)據(jù)可知，碳鋼無內襯有少量銹跡管道及油漆內襯的測量結果與不銹鋼管道的測量結果是一致的，而碳鋼灰漿內襯管道的測量結果偏移了0.60%。多組試驗后分析，原因是由于灰漿加襯時含有氣泡或雜質。數(shù)據(jù)（8）為灰漿內襯改用瀝青參數(shù)，即內襯參數(shù)誤用的試驗數(shù)據(jù)。但結果數(shù)據(jù)卻更接近參考標準值，比灰漿內襯參數(shù)的測量結果偏移了0.66%。因此，選擇內襯參數(shù)以及內襯實際情況對于在線檢測是十分重要的。
　　
　　分析四：現(xiàn)場安裝管路條件對在線檢定的影響。試驗中有調節(jié)閥條件得到四組數(shù)據(jù)（9~12）。四組重復性均小于0.2%滿足要求，但誤差值偏離較大，這與流場分布不均勻有關。日常檢定中，經常發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場條件不能滿足超聲流量計夾裝的基本條件，導致流場分布不均勻，測量結果發(fā)生偏離。由試驗數(shù)據(jù)可知，阻力件（縮管）前的測量值要優(yōu)于其后的測量值，但偏差值超過4%。
　　
　　2CFD數(shù)值模擬試驗
　　
　　現(xiàn)場管道條件及參數(shù)多樣的特點使得實流試驗不可能覆蓋全部條件，但可通過CFD數(shù)值模擬試驗輔助。數(shù)值模擬試驗共分析了12種管道條件下的流場分布情況，表2中僅列出一類用于分析以及和實流試驗數(shù)據(jù)作比較。污水流量計
　　
　　以上結果均以DN100口徑、入口100m3/h為模擬條件。標準直管道下截面平均流速3.537m/s，以此為標準值進行數(shù)值比較。由圖1、2可以看出，各種條件下流場均發(fā)生了不同程度的分布不均勻的情況。如果在線檢測不考慮現(xiàn)場管道條件，將會給檢測結果帶來較大的誤差。以球閥30°開度流場分布為例，其各徑向截面流速平均值與標準值之差見表3。
　　
　　檢測時應盡可能地將超聲流量計夾裝在阻力件前后20D之外，這也是超聲流量計使用要求。但現(xiàn)場條件無法滿足時，將其安裝在阻力件之前，并盡量遠離阻力件，愈靠近阻力件誤差就越大。同時，測量時應考慮流場分布不均勻帶來的附加誤差。由數(shù)據(jù)可以看出，球閥前5D、10D處的流場影響量遠小于球閥后5D、10D處。球閥后5D處的截面平均流速與標準流速相差近4%，這與實流現(xiàn)場試驗時所得的結果是相符合的（見表1、表3中加*數(shù)據(jù)）。
　　
　　3結論
　　
　　通過現(xiàn)場實流試驗和CFD數(shù)值模擬試驗的結果，可以得出使用便攜式超聲流量計進行在線流量檢定時結論：
　　
　　（1）重復性及再現(xiàn)性對于檢定結果的影響范圍約為±（0.2~0.4）%。
　　
　?。?）管道壁厚及內徑參數(shù)對于檢定結果的影響范圍約為±（0.2~0.4）%。
　　
　?。?）管道內襯對于檢定結果的影響范圍約為±（0.5~1.0）%。
　　
　　（4）現(xiàn)場安裝管路條件對于檢定結果的影響范圍約為±（4.0~5.0）%。
　　
　　總之，液體流量計在線檢定時應選擇合適的安裝位置，仔細安裝超聲流量計、測量管道壁厚及內徑，減少安裝操作附加誤差。如現(xiàn)場確實無法將超聲流量計夾裝在阻力件之前，需考慮在測量結果上附加流場不均勻帶來的誤差，應盡可能充分了解甚至測量安裝點前后阻力件的距離，以便可以通過CFD數(shù)值模擬估算誤差值。