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摘　要：針對大型低揚程泵站進水流道斷面形狀及流態(tài)變化復(fù)雜，難以選擇時差式超聲波流量計測流斷面的實際情況，提出可通過對進水流道進行數(shù)值模擬來確定并優(yōu)化超聲波流量計換能器的安裝位置，并對換能器的安裝對數(shù)進行優(yōu)化.結(jié)合南水北調(diào)東線工程寶應(yīng)泵站水泵裝置模型試驗，對兩款時差式超聲波流量計與高精度水力機械試驗臺流量測試設(shè)備進行了對比測試.結(jié)果表明，兩款流量計最大相對誤差分別為1.60％和0.39％，均具有較高的測試精度，穩(wěn)定性也較好，能滿足泵站現(xiàn)場測試的精度要求.
　　大型低揚程泵站在我國的平原地區(qū)應(yīng)用廣泛，在農(nóng)田灌溉排水、城市防洪、跨流域調(diào)水等方面發(fā)揮了重要作用.由于這類泵站一般帶有形狀較為復(fù)雜的進出水流道，不同運行工況下流道內(nèi)的水流流動情況也很復(fù)雜，因此，利用泵裝置自身條件布置測流設(shè)備來進行泵流量測量，往往難以滿足測試設(shè)備所要求的斷面流速分布均勻或漸變流的條件，從而影響到測試精度.目前，泵站測流常用的方法有流速儀法、鹽水濃度法、五孔探針法、差壓計法等［1－5］.這些方法在測試精度、安裝的繁簡程度、測試工作量大小等方面各有特色，但至今尚沒有一種公認的既簡便可靠，又具有較高精度的測試方法.這一現(xiàn)狀在一定程度上影響了大型低揚程泵站的技術(shù)進步和科學(xué)管理.
　　近年來，時差式超聲波流量計測流技術(shù)有了很大的發(fā)展，并在水電站行業(yè)的現(xiàn)場測試中有了較好的應(yīng)用.這是由于水電站一般有較長的直段輸水管道，斷面形狀較為規(guī)則，因此其流態(tài)條件較好，相對容易滿足換能器的安裝要求.但是大型低揚程泵站的情況則不相同.雖然超聲波流量計近年來在泵站現(xiàn)場測試中有一些應(yīng)用［1］，取得了一些成果，但是仍然處于起步或探索階段.其中的難點主要是難以選擇到流速分布較為均勻的測流斷面.如果能在保證較高精度的前提下找到合適的換能器布設(shè)位置和布設(shè)方式，如果能有效地減少換能器安裝對數(shù)以降低現(xiàn)場測試的工作量和測試成本，則將有力地推動該技術(shù)在泵站行業(yè)的應(yīng)用，并將有效地促進我國大型低揚程泵站的建設(shè)和管理水平.
　　采用兩款超聲波流量計與精度佳水力機械試驗臺流量測試設(shè)備來進行對比測試，得到其模型測試誤差，從而為提高大型低揚程泵站流量的測流精度，找到有效的方法.
1　時差式超聲波流量計測流技術(shù)
　　應(yīng)用超聲波流量計常用的測量方法為傳播速度差法、多普勒法等.傳播速度差法又包括直接時差法、相差法和頻差法［6］.時差式超聲波流量計的工作原理如圖1所示.它利用超聲波換能器接收、發(fā)射超聲波，通過測量超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速及斷面情況來計算流量［7，8］.

2　流量對比測試
2.1　試驗臺與測試設(shè)備
　　如圖2所示，效率測試系統(tǒng)綜合誤差為±0.39％.該試驗臺于2001年9月通過由江蘇省科技廳組織的鑒定，并于200４年通過國家計量論證評審.試驗臺流量測試設(shè)備為ＤＮ４00型電磁流量計，標定精度為±0.197％.

2.2　換能器安裝位置
　　結(jié)合南水北調(diào)東線工程寶應(yīng)泵站［9，10］水泵裝置模型試驗，模型比λ＝1∶9.833，對兩款時差式超聲波流量計與試驗臺流量測試設(shè)備進行了對比測試.流量計1采用10對換能器，流量計2采用8對換能器，安裝位置示意見圖3.兩款流量計的廠商在試驗前均進行了進水流道三維紊流數(shù)值模擬，通過計算，確定在流態(tài)相對較好的進水流道內(nèi)安裝換能器，并對安裝位置進行了優(yōu)化.

2.3　對比測試結(jié)果
　　試驗時以試驗臺ＤＮ４00型電磁流量計的測試值作為標準值，測試范圍為（0.795～1.163）Qｅ（Qｅ為試驗泵裝置在水泵葉片角度為0°時的最高效率點流量）.對比測試時，對每個流量點均進行了3次重復(fù)測量.表1為流量計1和流量計2單點測試數(shù)據(jù)記錄.

　　表2和表3分別為流量計1和流量計2與試驗臺流量計對比測試的誤差計算，其中絕對誤差為流量計測試值與試驗臺測試值之差，相對誤差為絕對誤差與試驗臺測試值之比，表中流量測試值均為3次測量的平均值.


　　由表1～表3可知，與試驗臺流量計實測值相比，流量計1和流量計2的誤差范圍分別為－1.60％～－0.59％及－0.39％～0.18％，最大相對誤差分別為1.60％和0.39％.兩款流量計均具有較高的精度，但流量計2的流量測量精度更高，穩(wěn)定性更好.
3　結(jié)　論
　　近年來，在國內(nèi)開始應(yīng)用的時差式超聲波流量計，其流速測量保證精度一般為±0.5％（規(guī)則斷面）.如果將其應(yīng)用于大型低揚程泵站，并在進水流道內(nèi)布置換能器，通過進一步的優(yōu)化，還可以達到更高的精度［7］.即使考慮到換能器安裝、過流斷面積測量等方面的因素，現(xiàn)場測試精度仍可望控制在±1.5％以內(nèi)，可以滿足泵站現(xiàn)場測試的需要，采用三維紊流數(shù)值模擬方法模擬泵站進水流道內(nèi)的流場，不僅可以優(yōu)化超聲波流量計換能器的安裝位置，提高測試精度，還可對換能器的安裝對數(shù)進行優(yōu)化，從而達到減少測試用換能器的數(shù)量、減小安裝工作量和測試費用的目的［7］.
　　時差式超聲波流量計具有安裝簡單、抗干擾能力強、阻力損失小等優(yōu)點，可實現(xiàn)流量的在線測量，通過對大型低揚程泵站進水流道進行三維紊流數(shù)值模擬來確定換能器的安裝方式，能有效地提高流量測試精度，從而為大型低揚程泵站提供一種簡便可靠，且具有較高精度的流量測試新方法.

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