原油、天然气流体运输过程中的流量监测是安全生产的重要环节，高精度的超声波流量计能够适应不同管道结构、不 同物性流体介质的测量，有效降低了化学管道泄漏的损失。结合计算流体力学（FLUENT)软件，建立了直管、T型管的三维管 道模型，并通过改变入口流量、提高管道内壁粗糙度来分析管道截面流体流型的变化情况，进而提出延长缓冲管道、优化权重系数算法等方式来提高流量计的精确度。结果表明，流体流型受管道结构的影响较大，随着流速以及粗輕度的提高，流体的湍动程度也更加剧烈。

超声波流量计得益于计算原理简单、测量过程不与介质 直接接触、在不同管径下精度较高、易于组网监控等特点， 在化工领域的流体测量中越来越受到人们重视。超声波流 量计是近年来仪器仪表领域的研究热点，因其测量准确、稳 定性好，而且安装使用非常方便。但是，能够增加超声波流 量计测量误差的因素也很多，如能够准确计算超声波在流体 中的传播时间、管道内流体是否是理想状态下流动、换能器 接收信号的性能以及超声波流量计的安装位置等。

炼油厂中化工管路是运输原油、天然气以及其他化学 品介质的主要方式。然而，由于实际工况下石油化工管道 结构的差异，如90°弯管、T型管、变径管等；加上输送化学 品普遍具有腐蚀性，会增加管道内壁的粗糙度，导致管道 内流体流动状态像非理想流体流动变化，进而影响流量监 测的精确度。

计算流体力学软件（FLUENT)是当今流体力学领域使 用比较广泛的商业软件，其模拟仿真结果比较贴近实际情 况，因此研究采用仿真的方法可以有效节省人力物力。目前 超声波流量计的声道算法大多是以理想流体流动为前提的， 当管道结构等条件发生改变后容易造成流型的突变，从而 影响测量准确度。从当前研究结果分析，对于上游阻流件 或管道内壁粗糙度对流体流型以及流量计测量精度的影响 研究尚在起步阶段。

本研究建立了直管以及T型管两种工业常见石油化工管 道模型，考察了流体速度以及管道粗糙程度对于流型的影 响，以提高流量计的测量精度。

1.超声波流量计原理

流体流动方向会对超声波的传播速度造成影响，这就 是基于时差法下流量计的检测原理，也是流体速度、流量监 测比较有效的方式。超声波的传播方向与流体同向，则传播 时间会减少；如果与流体流动方向相反则传播时间延长。

2.管道模型及仿真设置

2.1几何模型的建立

考虑到管道上游阻流件结构会造成管道内出现涡流等 非对称流型，其湍动程度也会发生变化，因此，建立直管及 T型管管道模型，分析流动状态的改变对于超声波流量计测 量精度的影响。管道结构包括入口管道、出口管道以及上下 游直管段组成，管道直径乃=50 mm，超声波流量计安装检测 位置为距水平入口管道20D处。

2.2 FLUENT仿真设置

利用GAMBIT软件进行管道模型的创建与网格的划分， 将T型管道中垂直入口与水平入口交接处进行加密处理，整 体模型网格数量50万左右。选择水作为流体介质，由于观察 非理想流动下流型的变化，因此管道内流体雷诺数较高，属 于湍流状态，选择RNG k-￡湍流模型进行仿真计算。

为使仿真结果更加贴近实际情况数据，使模拟过程更 加合理化，要对FLUENT操作变量进行设置。

(1)规定初始入口流速为0.3 m/s、1 m/s、2 m/s，对应雷 诺数分别为5.0X104、1.6X105、3.3X105，使管道内流体流动 形成3种明显的湍动程度。（2)改变管道粗糙度，设定粗糙 高度为0 m、0.005 m、0.01 m，考察在管道光滑度不均匀情况 下如何对计算方法进行修正，以提高超声波流量计的测量 精度。

3.仿真结果讨论

3.1速度场对管道内流体流型的影响

图1和图2是直管及T型管结构下管道内流体流动的速度 分布云图。通过仿真分析可以看到，不论流体在直管还是T 型管内流动，由于水自身具有黏度、靠近管壁处存在边界层 效应，管道截面处流体流型均存在速度梯度，靠近管内壁处 速度为零、远离壁面处流速相对较高，而且随着上游管道形 状以及初始流速的改变，流体受到的阻力也会随之变化，导致流场分布的不均匀性。

当流体入口速度由0.3 m/s提高至2 m/s后，管道雷诺数 从5.0X104变为3.3X105，流体的湍动程度有了较大幅度的提 高。对于直管，流体流速由0.3 m/s提升至1 m/s时管道内速度 梯度分布比较规则，速度分布整体呈对称分布，当流速进一 步提高至2 m/s后，管道内任何微小的突起（如管道间焊接处 等）都会使流体流动的方向发生偏转，从而造成了速度云图 的随机性及无序性；在T型管中，两股入口流体在管道交接 处会有涡旋产生，此时流体受到的离心力作用很强，速度最 大值等值面逐渐偏离轴心处，管道截面处会出现部分流速较 低区域，而且随着管道雷诺数的提升这种速度极值面积更加 明显。此时，可以采用延长下游缓冲管道长度，在工况允许 条件下将超声波流量计安装位置后移至完全发展流段等方 式来减少因为流型改变造成的测量误差。

3.2管道粗輕度对于流体流型的影响

在化工厂实际生产中，管道输送的化学品会发生沉淀， 使管道内壁会有不同程度的突起，也就是粗糙度有所提高， 导致管道内径的减少。从图中可以发现，随着粗糙度的提 高，管道截面处流体的速度梯度越来越明显，而且速度分布 对称性逐渐降低。说明管道直径在流量计测量的精确度方面还是非常重要的，如果不能定期对管道进行测量和清洗， 可以通过优化算法，调整超声波流量计声道系数来达到校 准的目的，修正后的超声波流量计可以将管道粗糙度造成的 测量误差降到最低。

4.结语

本研究采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD)模拟仿真方式，研究了流体在直管、T型 管两种管道模型下流场变化对超声波流量计测量精度的影 响。随着入口流速的提高，管道内流体湍动程度逐渐提高， 速度等值面的非对称性和无序性增强，通过加长直管段管 道长度、调整超声波流量计的测量位置可以降低由于非理想 流体对于测量精度的影响；通过对管道内部不同粗糙度的 模拟，发现当流速提高后不光滑的壁面会使流体流动方向发 生改变，从而造成管道截面整体流型的变化，实际测量中可 以针对不同管道的腐蚀程度，结合FLUENT进行超声波流 量计算法的优化，调整权重系数已达到准确测量的目的。

本研究采取的模拟仿真的分析方法对于不同管道类型、 不同流体介质的流动情况分析同样适用，在定性定量确定了 影响超声波流量计测量精度的因素后，下一步可以搭建实验 装置，探索声道位置、流量计安装角度等因素对检测结果的 影响。