当今信息化的社会,随着大数据、云计算、物联网等技术飞速的发展,市政基础设施、市政管理运行系统、百姓日常生活以及企业运行管理等,都与新一代信息技术密切融合,各种智慧城市和智能生活建设应运而生。在水计量领域,智慧水务也将成为未来的发展趋势。

　　 智慧水务的建设,离不开智能仪表的研发。目前水务行业的计量仪表主要是机械式水表,该类仪表机械磨损较大、计量精度不高、不能测量小流量、以人工抄表为主、滞后性大,制约着智慧水务的进一步建设。并且水表作为供水企业与用户之间贸易的计量依据,它的数据精确度与抄表的及时性直接影响着供水企业的经济效益与社会效益。

　　 超声水表是近几年发展迅速的流量仪表,与其他类型的水表相比,超声水表具有精度高、灵敏度高、重复性好、压损低以及双向测量等特点,并且测量管路内无任何运动部件,对被测介质几乎无要求,已经应用于大、中型管径的水流量测量。目前管道声路主要以“Z”型居多,导致声程太短,仪表的测量精度有待提高。同时,仪表功耗较大、量程比不高和对安装位置有较高要求,从而限制了小管径超声波水表在民用方面的应用。表1为DN20的机械水表与超声水表的性能特点对比情况^[1,2] 。

　　 目前国内应用的超声水表,很多依赖于进口,国内相关基础研究和原创技术方面与国外相比仍有较大差距。要扭转目前这种现状,必须加强超声水表的应用基础研究和仪表的自主研发力度,从而提高产品的国际竞争力。因此,小管径超声水表的研究对于促进我国水计量仪表的研发和智慧城市的建设都有重要意义。

　　 超声水表的工作原理多采用时差法,即超声波在顺逆流介质中的传播时间不一致,通过计算超声波的顺逆流时间差求得水的流速^[3] 。目前,超声水表多应用大口径的流量测量,换能器的安装方式主要有“Z”型。然而,在小口径管中由于超声波的有效声程短,影响了超声波测量的精度。针对这种情况,在课题组研究的管路基础^[4] 上,提出了管路模型,管路模型示意见图1^[5] 。

　　 所选管路直径为d,两个反射片放置在管路的中心,两者之间的距离为L,换能器到反射片的距离为L₁。从图1中可以计算出顺流时间t_AB和逆流时间t_BA:

　　 式中C———超声波在介质的传播速度;

　　 V———介质流体速度。

　　 本文主要是对DN20的小口径超声水表管路进行几何建模,根据DN20管路的要求,管路直径为20mm,缩进管路直径为15 mm,管路总长度为195mm^[1] ,利用Solidworks软件对上述管路进行3D建模,其管路模型见图2,剖面见图3。

　　 因仿真需要对管路内部的流体进行分析与研究,所以在建好的管路模型中进行流体域的抽取。首先将管路封闭,把对流体域不相关的小零件合并为一个整体,后利用Solidworks软件内部的与或关系,减去不需要的管路,留下流体的流体域。其结果如图4所示,剖面如图5所示。

　　 Fluent仿真主要是基于数据迭代的传递性,所以需要对流体域进行网格绘制。网格质量的好坏直接影响着仿真的准确性,网格越细密越能真实反应出流场内的温度、压力以及速度分布等情况^[6] ,但网格越多会增加仿真的时间,效率降低。因此在提高效率、满足求解精度的条件下,往往需要降低网格总数量,从而达到绘制网格数量的无关性要求。根据流体域的几何结构,将流体域分为不同的区域分别进行网格的绘制,绘制好的流体域网格如图6所示。

　　 绘制好网格之后,对此网格进行质量的检查,其网格总数量为39.5万个,大部分网格质量因子在0.35以下,达到了数量的近70%,0.5以下的达到了总数量的90%。

　　 网格绘制好之后,就可以直接导入Fluent进行数值仿真。在进行仿真之前,需要对Fluent进行相关的参数设定。由于管路内的流体为不可压缩的液体水,实验设定为DN20管径的常用流量点4 m³/h,换算成速度为3.54 m/s,通过式(4)计算雷诺数大于2 320,故可以判断管路内流体状态为湍流,选择标准的k-ε模型^[7] 。

　　 式中Re———雷诺系数;

　　 η———20℃水的运动粘度,m²/s;

　　 V———水流速度,m/s;

　　 D———管路公称直径,m。

　　 相关边界条件以及求解器参数设定好之后,需要对迭代步数和残差精度进行设定,残差精度10^-5,设置迭代步数10 000,最后迭代稳定的残差结果显示,迭代在1 500步的时候达到了稳定。

　　 相应的仿真结果数据导入Tecplot进行处理,选择管路中心A0为基准中心面,中心面前后25.35mm位置处(A1,B1)各取一个管路截面,其中A1为管路缩进段的进水口位置,B1为管路缩进段的出水口位置,对应管路的位置如图7所示,做出各对应的速度云图。

　　 由于超声波传播路径上的流速分布对超声波流量测量至关重要,因此选取该3个位置的截面,观察水在缩进管路内的运动情况,3个截取面的位置速度云如图8所示。

　　 从管路的A1截面云图来看,水流经过上游反射片支柱后进入缩进管路,水速从管路中心向外逐渐变大,管路中心速度大约为8m/s,整个截面的水流速度稳定在9 m/s,整体水流速度向管路壁处逐渐减小。管路A0截面云图为管路长度的中心面,相比较A1、B1截面段的横截面积有所缩小,整个截面中心的位置最大速度虽然可达到11m/s左右,但整个水流速度稳定在10m/s左右。管路B1截面云图的中心水流速度整体稳定在9 m/s,截面上的速度依次向管路壁处减小,速度的层次性好。

　　 同时,截取管路Y轴的截面,可以清楚看到整个管路内水流的水平运动速度状态。具体操作截取Y轴面的位置如图9所示。管路内水平运动速度云如图10所示。

　　 由图10可以看出,当水流进入管路时,整个管路的速度稳定在3~4m/s。当经过反射片之后,水流速度出现较大的紊乱现象,波动性大,但是进入缩进管路之后,水流速度基本上稳定下来,波动性小。出缩进管之后,水流速度又出现较大的紊乱现象。

　　 由图10可以看出,缩进管段上的水流速度稳定在10m/s左右,波动性小。虽然2个反射片后的速度波动性大,但是2个反射片到缩进管段的距离短,对整个超声波的传播影响小。

　　 选择Y轴截面,设置Tecplot软件,获得管路内部流线方向的速度云如图11所示。

　　 从图11中可以看出,水流在缩进管段的运动方向基本是稳定的,没有出现较大水流波动现象。虽然在管路上游的反射镜面上出现了小的漩涡,但涡旋不是很大,也没有进入到缩进管路内,对超声波运动的整个声程的影响不大。放大的仿真漩涡如图12所示。

　　 综上仿真试验结果,水流在所设计的管路模型中的流速波动性小,缩进管内的水流较稳定。

　　 按照上述的相关管路设计,加工DN20管路并安装超声换能器,管路实物如图13所示。该管路配合超声流量测试电路在水表标准装置上进行相关流量试验。

　　 在室温20℃,水温15.7℃条件下,进行了超声水表的试验研究。选定不同的流量点^[8] ,记录仪表累积流量以及标准累计流量,用式(5)、式(6)计算得到示值误差,由式(7)、式(8)得到相对示值误差和重复性。

　　 根据行业标准《超声波水表》(CJT 434-2013),相对示值误差的计算方法见式(5)、式(6)^[9] 。

　　 单次测量:

　　 超声水表各检定点:

　　 式中q_ij———第i个测试点第j次测量被测水表读数;

　　 (q_s)_ij———第i个测试点第j次测量标准流量装置读数。

　　 根据行业标准《超声波水表》,重复性的计算途径见式(7)、式(8)^[9] 。对每个流量点重复地进行测量n次,那么这一点的计算公式如式(7)所示:

　　 其中,(E_r)_i对应的是第i个检测点。

　　 超声水表的重复性如式(8)所示:

　　 按照国家水表检定标准,选取4个流量标定点^[8] ,其中Q₄=5 000L/h,Q₃=4 000L/h;Q₂=26L/h;Q₁=16L/h,各个流量点的试验测量数据分别如表1,表2,表3,表4所示。

　　 由试验测量数据可以看出,该管路下的超声水表在Q₄点的相对示值误差为0.49%,重复性为0.26%;Q₃点的相对示值误差为0.15%,重复性为0.14%;Q₂点的相对示值误差为0.93%,重复性为0.51%;Q₁点的相对示值误差为0.29%,重复性为0.45%,其相对示值误差满足《封闭满管道中水流量的测量饮用冷水水表和热水水表》(GB/T 778.1-2007)中对其最低性能的要求。此安装条件^[10] 下,水表的最大相对示值误差小于1%,重复性小于0.6%,符合2级表的检定精度要求。

　　 本文主要对超声水表的基表管路进行Fluent模型仿真和管路的流量测量试验,通过对数据进行分析,验证了管路设计的合理性。但是,要进一步提高超声水表技术,不仅需要对超声水表的基表进行深入研究,还要从电路和软件方法上进行进一步的研究,还才能不断缩小国内超声水表与国际领先水平的差距,为我国的智慧水务提供技术基础。