时差法超声波流量计是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的测量方法 ，它具有测量范围宽、测量精度高、使用方便、安装简单等特点。超声波反射装置由表面光滑的合金制成，它在传送超声波信号的同时，也阻碍流体通过，使得流量计内水流特性非常复杂。工程人员进行流量计结构优化时，需考虑图 1 所示反射柱直径 d、换能器露出高度H、两反射柱距离 L、缩管直径 D 等结构参数。本文作者基于 Fluent 流体软件，通过数值模拟来研究反射装置结构参数对基表水流特性的影响规律，为流量计基表结构优化设计提供理论依据。
根据超声波流量计测量原理可知，流量计测量的流速为超声波传播路径上的线平均速度，而非测量截面内流体的面平均速度，需引入修正系数 K 对其速度进行修正 。K 系数定义为:
目前，K 系数及其标准差已成为衡量超声波反射装置、超声波声路优劣的主要依据 。本文对声路的定义如图 2 所示: 以反射面中心为基准，往外每增加0. 5 mm 进行划线，分别标记为 Line0，Line1，…，
LineN，对应的 K 系数依次编号为 K1 ，K2 ，…，Kn 。不同声路的 K 值可以通过 Fluent 后处理功能获取。
2.反射柱直径对基表水流特性的影响规律
为了研究反射柱直径对基表水流特性的影响规律，文中选取了 5 组不同的直径数值，分别为 d = 11. 2、12. 6、14. 0、15. 4、16. 8 mm。基表其余结构参数完全相同，换能器露出高度 H = 11. 4 mm，缩管直径 D = 14 mm，反射装置轴向距离 L = 72 mm。分别按照上述参数建模，并基于 Fluent 软件进行数值模拟，以探讨不同反射柱直径对基表内水流特性的影响规律。
图 3 反映了不同反射柱直径对各声路 K 系数的影响规律。由图可知，尽管反射柱直径不同，但各声道 K 系数的变化规律基本一致，从中心声道 Line0 到第 14 声道 Line14 基本上呈先降后升的趋势，各声路升降转折拐点并不相同。d = 11. 2 mm 时，K 系数前几条声路相对平缓。随着反射柱直径 d 的增加，1 － 6 声路 K 系数下降幅度明显增大，这是由于随着反射柱直径的增大，其阻流效果越发明显所致。图中第五条声道 Line5 ( 即横坐标 5 对应的 K 值) 为不同反射柱直径 K 系数相交点，说明该声路 K 系数最为稳定，不会随反射柱直径的变化而产生显著变化。
图4 反映了不同反射柱直径对 K 系数标准差的影响规律。由图可知，当反射柱直径较小时，K 系数的标准差较小。随着反射柱直径的增大，如 d = 16. 8 mm 时，K 系数标准差呈明显增大趋势，这是由于随着反射柱直径的增大，反射装置与基表内表面之间的过流面积明显减小，流体承受阻流作用增大，流体只能以较高流速快速通过两反射装置之间的通道区域，流体扰动大，流动不稳定，导致 K 值标准差明显增加。
图5 反映了不同反射柱直径对反射柱周边流场的影响规律。由图可知，由于反射柱对液流的阻碍作用，反射柱反射面附近会出现漩涡，部分流体从反射柱周边流向反射面，形成回旋。反射柱直径越大，漩涡形成的范围也越大。
图 6 反映了不同反射柱直径对整个基表内流场的影响规律。由图可知，d = 11. 2 mm 的速度等值线比d = 16 mm 更为稀疏，速度梯度小，速度分布更均匀，说明此时基表内部流场的品质更好。随着反射柱直径的增大，反射柱与流量计内表之间的径向间隙减小，造成过流面积缩小，流速增大，流场分布杂乱，速度等值线梯度大，分布密集。当然，反射柱的直径不能一味减小，还得考虑反射面对超声波的良好反射作用，实际设计时需在两者之间找到一个很好的平衡点。
3.换能器露出高度对水流特性的影响规律
为了研究超声波换能器露出高度对基表水流特性的影响规律，采取了 5 组不同的高度数值，分别为H = 9. 4、10. 4、11. 4、12. 4、13. 4 mm; 基表其余结构参数全部相同，反射柱直径 d = 14 mm，缩管直径 D = 14 mm，反射装置轴向距离 L = 72 mm。按照上述参数分别建模，并基于 Fluent 软件进行数值模拟，以探讨不同超声波换能器露出高度对基表内水流特性的影响规律。
反映了不同换能器露出高度对各声路 K 系数的影响规律。由图可知，尽管换能器露出高度不同，但各声道 K 系数的分布变化规律基本一致，从中心声道 Line0 到第 14 声道 Line14 基本上呈先降后升的趋势。换能器露出高度对中心轴线的声路影响较大，表现为中心声道 Line0 ( 即横坐标 0 对应的 K 值) 差异非常明显。各条声道先降后升后，于第 11 条声路 Line11 相交，说明超声波换能器露出高度对该声路的影响最小，此时可选为最优声路。
图8 反映了不同换能器露出高度对 K 系数标准差的影响规律。由图可知，随着换能器露出高度 H 的增大，K 系数的标准差呈明显下降趋势。H = 12. 4 mm 时，K 系数的标准差最小。这是由于随着露出高度 H 的增大，换能器上表面与基表内壁之间的间隙增大，从而使得过流面积增大，流体流过反射装置时受到的阻碍作用减小，流体扰动减弱，流场更为稳定。
图9 反映了不同换能器露出高度对反射柱周边流场的影响规律。由图可知，由于反射柱对液流的阻碍作用，无论取何种露出高度数值，入口处反射面附近都会出现漩涡 ( 见图 9 标记处) 。这是由于高速流体经过挤压后将顺着反射面下滑，受反射柱周围高速流体的影响，形成回旋，从而产生漩涡。但随着换能器露出高度的增大，反射面与基表内壁间的间隙增大，回旋的范围及强度有下降的趋势。此外，出口反射面附近也会出现漩涡，这是由于流体沿着反射面上行时，遇到基表内壁阻挡，形成回旋所致。随着换能器露出高度的增加，出口反射面上方的漩涡区域越发明显。
图10 反映了不同换能器露出高度对整个基表内流场的影响规律。由图可知，不同换能器高度，基表缩管内流场基本相似，说明换能器露出高度对基表内流场的影响较小。
4.结论
( 1) 由于反射柱对液流的阻碍作用，入口反射面附近会出现漩涡; 反射柱直径越大，漩涡形成的范围也越大。
( 2) 随着反射柱直径的增加，K 系数波动明显;适当减小反射柱直径，可改善基表内部流场品质，流速分布更均匀。
( 3) 出口反射面附近也会出现漩涡，随着换能器露出高度的增加，此处漩涡区域越发明显; 换能器露出高度对基表内流场的影响较小。
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