原油、天然氣流體運輸過程中的流量監測是安全生產的重要環節，高精度的超聲波流量計能夠適應不同管道結構、不 同物性流體介質的測量，有效降低了化學管道泄漏的損失。結合計算流體力學（FLUENT)軟件，建立了直管、T型管的三維管 道模型，并通過改變入口流量、提高管道內壁粗糙度來分析管道截面流體流型的變化情況，進而提出延長緩沖管道、優化權重系數算法等方式來提高流量計的精確度。結果表明，流體流型受管道結構的影響較大，隨著流速以及粗輕度的提高，流體的湍動程度也更加劇烈。

超聲波流量計得益于計算原理簡單、測量過程不與介質 直接接觸、在不同管徑下精度較高、易于組網監控等特點， 在化工領域的流體測量中越來越受到人們重視。超聲波流 量計是近年來儀器儀表領域的研究熱點，因其測量準確、穩 定性好，而且安裝使用非常方便。但是，能夠增加超聲波流 量計測量誤差的因素也很多，如能夠準確計算超聲波在流體 中的傳播時間、管道內流體是否是理想狀態下流動、換能器 接收信號的性能以及超聲波流量計的安裝位置等。

煉油廠中化工管路是運輸原油、天然氣以及其他化學 品介質的主要方式。然而，由于實際工況下石油化工管道 結構的差異，如90°彎管、T型管、變徑管等；加上輸送化學 品普遍具有腐蝕性，會增加管道內壁的粗糙度，導致管道 內流體流動狀態像非理想流體流動變化，進而影響流量監 測的精確度。

計算流體力學軟件（FLUENT)是當今流體力學領域使 用比較廣泛的商業軟件，其模擬仿真結果比較貼近實際情 況，因此研究采用仿真的方法可以有效節省人力物力。目前 超聲波流量計的聲道算法大多是以理想流體流動為前提的， 當管道結構等條件發生改變后容易造成流型的突變，從而 影響測量準確度。從當前研究結果分析，對于上游阻流件 或管道內壁粗糙度對流體流型以及流量計測量精度的影響 研究尚在起步階段。

本研究建立了直管以及T型管兩種工業常見石油化工管 道模型，考察了流體速度以及管道粗糙程度對于流型的影 響，以提高流量計的測量精度。

1.超聲波流量計原理

流體流動方向會對超聲波的傳播速度造成影響，這就 是基于時差法下流量計的檢測原理，也是流體速度、流量監 測比較有效的方式。超聲波的傳播方向與流體同向，則傳播 時間會減少；如果與流體流動方向相反則傳播時間延長。

2.管道模型及仿真設置

2.1幾何模型的建立

考慮到管道上游阻流件結構會造成管道內出現渦流等 非對稱流型，其湍動程度也會發生變化，因此，建立直管及 T型管管道模型，分析流動狀態的改變對于超聲波流量計測 量精度的影響。管道結構包括入口管道、出口管道以及上下 游直管段組成，管道直徑乃=50 mm，超聲波流量計安裝檢測 位置為距水平入口管道20D處。

2.2 FLUENT仿真設置

利用GAMBIT軟件進行管道模型的創建與網格的劃分， 將T型管道中垂直入口與水平入口交接處進行加密處理，整 體模型網格數量50萬左右。選擇水作為流體介質，由于觀察 非理想流動下流型的變化，因此管道內流體雷諾數較高，屬 于湍流狀態，選擇RNG k-￡湍流模型進行仿真計算。

為使仿真結果更加貼近實際情況數據，使模擬過程更 加合理化，要對FLUENT操作變量進行設置。

(1)規定初始入口流速為0.3 m/s、1 m/s、2 m/s，對應雷 諾數分別為5.0X104、1.6X105、3.3X105，使管道內流體流動 形成3種明顯的湍動程度。（2)改變管道粗糙度，設定粗糙 高度為0 m、0.005 m、0.01 m，考察在管道光滑度不均勻情況 下如何對計算方法進行修正，以提高超聲波流量計的測量 精度。

3.仿真結果討論

3.1速度場對管道內流體流型的影響

圖1和圖2是直管及T型管結構下管道內流體流動的速度 分布云圖。通過仿真分析可以看到，不論流體在直管還是T 型管內流動，由于水自身具有黏度、靠近管壁處存在邊界層 效應，管道截面處流體流型均存在速度梯度，靠近管內壁處 速度為零、遠離壁面處流速相對較高，而且隨著上游管道形 狀以及初始流速的改變，流體受到的阻力也會隨之變化，導致流場分布的不均勻性。

當流體入口速度由0.3 m/s提高至2 m/s后，管道雷諾數 從5.0X104變為3.3X105，流體的湍動程度有了較大幅度的提 高。對于直管，流體流速由0.3 m/s提升至1 m/s時管道內速度 梯度分布比較規則，速度分布整體呈對稱分布，當流速進一 步提高至2 m/s后，管道內任何微小的突起（如管道間焊接處 等）都會使流體流動的方向發生偏轉，從而造成了速度云圖 的隨機性及無序性；在T型管中，兩股入口流體在管道交接 處會有渦旋產生，此時流體受到的離心力作用很強，速度最 大值等值面逐漸偏離軸心處，管道截面處會出現部分流速較 低區域，而且隨著管道雷諾數的提升這種速度極值面積更加 明顯。此時，可以采用延長下游緩沖管道長度，在工況允許 條件下將超聲波流量計安裝位置后移至完全發展流段等方 式來減少因為流型改變造成的測量誤差。

3.2管道粗輕度對于流體流型的影響

在化工廠實際生產中，管道輸送的化學品會發生沉淀， 使管道內壁會有不同程度的突起，也就是粗糙度有所提高， 導致管道內徑的減少。從圖中可以發現，隨著粗糙度的提 高，管道截面處流體的速度梯度越來越明顯，而且速度分布 對稱性逐漸降低。說明管道直徑在流量計測量的精確度方面還是非常重要的，如果不能定期對管道進行測量和清洗， 可以通過優化算法，調整超聲波流量計聲道系數來達到校 準的目的，修正后的超聲波流量計可以將管道粗糙度造成的 測量誤差降到最低。

4.結語

本研究采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬仿真方式，研究了流體在直管、T型 管兩種管道模型下流場變化對超聲波流量計測量精度的影 響。隨著入口流速的提高，管道內流體湍動程度逐漸提高， 速度等值面的非對稱性和無序性增強，通過加長直管段管 道長度、調整超聲波流量計的測量位置可以降低由于非理想 流體對于測量精度的影響；通過對管道內部不同粗糙度的 模擬，發現當流速提高后不光滑的壁面會使流體流動方向發 生改變，從而造成管道截面整體流型的變化，實際測量中可 以針對不同管道的腐蝕程度，結合FLUENT進行超聲波流 量計算法的優化，調整權重系數已達到準確測量的目的。

本研究采取的模擬仿真的分析方法對于不同管道類型、 不同流體介質的流動情況分析同樣適用，在定性定量確定了 影響超聲波流量計測量精度的因素后，下一步可以搭建實驗 裝置，探索聲道位置、流量計安裝角度等因素對檢測結果的 影響。