時差法超聲波流量計是一種利用超聲波信號在流體中傳播時所載流體的流速信息來測量流體流量的測量方法 ，它具有測量范圍寬、測量精度高、使用方便、安裝簡單等特點。超聲波反射裝置由表面光滑的合金制成，它在傳送超聲波信號的同時，也阻礙流體通過，使得流量計內水流特性非常復雜。工程人員進行流量計結構優化時，需考慮圖 1 所示反射柱直徑 d、換能器露出高度H、兩反射柱距離 L、縮管直徑 D 等結構參數。本文作者基于 Fluent 流體軟件，通過數值模擬來研究反射裝置結構參數對基表水流特性的影響規律，為流量計基表結構優化設計提供理論依據。
根據超聲波流量計測量原理可知，流量計測量的流速為超聲波傳播路徑上的線平均速度，而非測量截面內流體的面平均速度，需引入修正系數 K 對其速度進行修正 。K 系數定義為:
目前，K 系數及其標準差已成為衡量超聲波反射裝置、超聲波聲路優劣的主要依據 。本文對聲路的定義如圖 2 所示: 以反射面中心為基準，往外每增加0. 5 mm 進行劃線，分別標記為 Line0，Line1，…，
LineN，對應的 K 系數依次編號為 K1 ，K2 ，…，Kn 。不同聲路的 K 值可以通過 Fluent 后處理功能獲取。
2.反射柱直徑對基表水流特性的影響規律
為了研究反射柱直徑對基表水流特性的影響規律，文中選取了 5 組不同的直徑數值，分別為 d = 11. 2、12. 6、14. 0、15. 4、16. 8 mm。基表其余結構參數完全相同，換能器露出高度 H = 11. 4 mm，縮管直徑 D = 14 mm，反射裝置軸向距離 L = 72 mm。分別按照上述參數建模，并基于 Fluent 軟件進行數值模擬，以探討不同反射柱直徑對基表內水流特性的影響規律。
圖 3 反映了不同反射柱直徑對各聲路 K 系數的影響規律。由圖可知，盡管反射柱直徑不同，但各聲道 K 系數的變化規律基本一致，從中心聲道 Line0 到第 14 聲道 Line14 基本上呈先降后升的趨勢，各聲路升降轉折拐點并不相同。d = 11. 2 mm 時，K 系數前幾條聲路相對平緩。隨著反射柱直徑 d 的增加，1 － 6 聲路 K 系數下降幅度明顯增大，這是由于隨著反射柱直徑的增大，其阻流效果越發明顯所致。圖中第五條聲道 Line5 ( 即橫坐標 5 對應的 K 值) 為不同反射柱直徑 K 系數相交點，說明該聲路 K 系數最為穩定，不會隨反射柱直徑的變化而產生顯著變化。
圖4 反映了不同反射柱直徑對 K 系數標準差的影響規律。由圖可知，當反射柱直徑較小時，K 系數的標準差較小。隨著反射柱直徑的增大，如 d = 16. 8 mm 時，K 系數標準差呈明顯增大趨勢，這是由于隨著反射柱直徑的增大，反射裝置與基表內表面之間的過流面積明顯減小，流體承受阻流作用增大，流體只能以較高流速快速通過兩反射裝置之間的通道區域，流體擾動大，流動不穩定，導致 K 值標準差明顯增加。
圖5 反映了不同反射柱直徑對反射柱周邊流場的影響規律。由圖可知，由于反射柱對液流的阻礙作用，反射柱反射面附近會出現漩渦，部分流體從反射柱周邊流向反射面，形成回旋。反射柱直徑越大，漩渦形成的范圍也越大。
圖 6 反映了不同反射柱直徑對整個基表內流場的影響規律。由圖可知，d = 11. 2 mm 的速度等值線比d = 16 mm 更為稀疏，速度梯度小，速度分布更均勻，說明此時基表內部流場的品質更好。隨著反射柱直徑的增大，反射柱與流量計內表之間的徑向間隙減小，造成過流面積縮小，流速增大，流場分布雜亂，速度等值線梯度大，分布密集。當然，反射柱的直徑不能一味減小，還得考慮反射面對超聲波的良好反射作用，實際設計時需在兩者之間找到一個很好的平衡點。
3.換能器露出高度對水流特性的影響規律
為了研究超聲波換能器露出高度對基表水流特性的影響規律，采取了 5 組不同的高度數值，分別為H = 9. 4、10. 4、11. 4、12. 4、13. 4 mm; 基表其余結構參數全部相同，反射柱直徑 d = 14 mm，縮管直徑 D = 14 mm，反射裝置軸向距離 L = 72 mm。按照上述參數分別建模，并基于 Fluent 軟件進行數值模擬，以探討不同超聲波換能器露出高度對基表內水流特性的影響規律。
反映了不同換能器露出高度對各聲路 K 系數的影響規律。由圖可知，盡管換能器露出高度不同，但各聲道 K 系數的分布變化規律基本一致，從中心聲道 Line0 到第 14 聲道 Line14 基本上呈先降后升的趨勢。換能器露出高度對中心軸線的聲路影響較大，表現為中心聲道 Line0 ( 即橫坐標 0 對應的 K 值) 差異非常明顯。各條聲道先降后升后，于第 11 條聲路 Line11 相交，說明超聲波換能器露出高度對該聲路的影響最小，此時可選為最優聲路。
圖8 反映了不同換能器露出高度對 K 系數標準差的影響規律。由圖可知，隨著換能器露出高度 H 的增大，K 系數的標準差呈明顯下降趨勢。H = 12. 4 mm 時，K 系數的標準差最小。這是由于隨著露出高度 H 的增大，換能器上表面與基表內壁之間的間隙增大，從而使得過流面積增大，流體流過反射裝置時受到的阻礙作用減小，流體擾動減弱，流場更為穩定。
圖9 反映了不同換能器露出高度對反射柱周邊流場的影響規律。由圖可知，由于反射柱對液流的阻礙作用，無論取何種露出高度數值，入口處反射面附近都會出現漩渦 ( 見圖 9 標記處) 。這是由于高速流體經過擠壓后將順著反射面下滑，受反射柱周圍高速流體的影響，形成回旋，從而產生漩渦。但隨著換能器露出高度的增大，反射面與基表內壁間的間隙增大，回旋的范圍及強度有下降的趨勢。此外，出口反射面附近也會出現漩渦，這是由于流體沿著反射面上行時，遇到基表內壁阻擋，形成回旋所致。隨著換能器露出高度的增加，出口反射面上方的漩渦區域越發明顯。
圖10 反映了不同換能器露出高度對整個基表內流場的影響規律。由圖可知，不同換能器高度，基表縮管內流場基本相似，說明換能器露出高度對基表內流場的影響較小。
4.結論
( 1) 由于反射柱對液流的阻礙作用，入口反射面附近會出現漩渦; 反射柱直徑越大，漩渦形成的范圍也越大。
( 2) 隨著反射柱直徑的增加，K 系數波動明顯;適當減小反射柱直徑，可改善基表內部流場品質，流速分布更均勻。
( 3) 出口反射面附近也會出現漩渦，隨著換能器露出高度的增加，此處漩渦區域越發明顯; 換能器露出高度對基表內流場的影響較小。