水資源是人類賴以生存所必須的物質資源。隨著水資源的性匱乏，節(jié)約和合理利用成為必須，而水量的計量就成為合理利用的重要評估手段。以三峽工程和南水北調工程為標志，一批關系國計民生的大型水利工程和引水調水工程在我國迅速發(fā)展，由于這些工程中的流量過流斷面尺寸巨大，常規(guī)流量計無法適用。
近年來開發(fā)應用的多聲路超聲流量計，較好地解決了大口徑水流量測量的技術難題，流量計制造不受管道口徑的限制，多聲路配置可以2010 年全國流量測量學術交流會論文集適應較為復雜的流道結構和流態(tài)分布，還可在已有管道上現(xiàn)場安裝，因此超聲流量計已成為大口徑水流量測量的*技術選擇。
三峽工程是世界上zui大的水利樞紐工程，總裝機容量2250 萬千瓦，設計年發(fā)電量847億度。水輪機效率是水電站的重要技術指標，對電站的經(jīng)濟運行具有重要意義，如果水輪機效率下降2%，每年將少發(fā)15 億度電，數(shù)量十分可觀，因此水輪機機組效率評價及*工作點調整就非常重要，而發(fā)電流量是其中zui重要的測量參數(shù)。三峽電站右岸共裝配12 臺700MW 水輪發(fā)電機組，引水壓力鋼管直徑為12.4m，水輪機額定流量為970m3/s，zui大流量為1020 m3/s，壓力鋼管內(nèi)水流平均流速范圍為（0~8.5）m/s。
綜合考慮安裝難度、測量準確度、價格等因素，三峽電站選擇在右岸三臺機組上利用超聲流量計來測量其發(fā)電流量，受限于現(xiàn)場條件，只能將流量計安裝在壓力鋼管的末端，如圖1 所示。
圖1 三峽電站水輪機流道示意圖
三峽電站三臺超聲流量計來自三個不同的廠家，均采用時差法測量原理，但各廠家給出的流量測量準確度從0.3% 到1%，相差甚遠。對于三峽工程這種超大口徑的超聲流量計，根本無法用實流標定的方法進行準確度評估，而由于超聲流量計發(fā)展時間較短，目前也沒有*的非實流校準方法。
因此，對于生產(chǎn)廠家聲稱的技術指標，計量技術機構缺乏必要的驗證手段，進而使得三峽電站無法開展水輪機機組效率評價工作。于是三峽總公司直接向質檢總局尋求，在此背景下中國計量科學研究院接受總局任務，在研究超聲流量計非實流校準方法的基礎上，實現(xiàn)三峽工程超聲流量計的準確度評估。
由超聲流量計的基本原理可知，聲路速度測量的準確度直接依賴于時間量和幾何量測量的準確度，而流量加權積分的準確度則依賴于流場的擾動情況。與之相應地，三峽流量計的準確度評估包含三個因素的影響量：幾何測量、時間測量和流場擾動。幾何測量方面，研究了流量計幾何參數(shù)（半徑、聲路長度、聲路角度）的準確度影響因素，利用全站儀重新測量了三峽流量計管段的幾何尺寸，并從坐標測量儀器本身、管段擬合方法、介質溫度壓力變化等方面分析了測量結果的不確定度；時間測量方面，設計了標準聲速距裝置，能夠對超聲探頭的系統(tǒng)延時進行離線測量，另外在三峽現(xiàn)場依據(jù)流量計的零點流量不一致性，以及流量計2010 年全國流量測量學術交流會論文集廠家宣稱的計時分辨力，對流量計時間測量的準確度進行了分析與評估。流場擾動影響是三峽流量計準確度評估的zui重要的內(nèi)容，也是本文要重點介紹的工作。
IEC41 規(guī)程及PTC18 規(guī)程中均對超聲流量計的安裝條件進行了規(guī)范，對于雙面8 聲路流量計，上游至少有10D 的直管段長度，下游至少有3D 的直管段長度；流量計采用雙聲路面的布置形式，是為了補償橫向流動帶來的干擾，實際上在20D 的直管段下游流速分布將更加均勻，采用單面4 聲路流量計即可有一個滿意的結果。三峽工程中超聲流量計上游緊鄰彎管，下游即為水輪機組，前后幾乎沒有直管段，*不滿足規(guī)程規(guī)定的安裝條件。在這種條件下，三峽流量計采用了雙面18 聲路交叉的布置形式，這已經(jīng)是目前實際應用中聲路數(shù)zui多的情況，盡管理論上可以適應非常復雜的流場條件，但由于三峽流量計的準確度度事關巨大的經(jīng)濟效益，流場擾動帶來的影響仍需仔細的評估，本文利用實驗和數(shù)值模擬兩種手段分析了流場擾動對流量計的影響。
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