摘要;超聲流量(liàng)計 測量過程探頭大小和結構(gòu)設計所中(zhōng)探頭(tóu)對流(liú)場的幹擾(rǎo)是流量計(jì)流聲耦(ǒu)合(hé)仿真,定量(liàng)分析了引起的執流效應(yīng)、計算(suàn)實檢量計探頭擾流(liú)的系統偏差;了聲道速度分布、探失聲壓(yā)1系統偏差(chà)。”i并利(lì)用分(fèn)段加極平(píng)均的方式，這一(yī)少靠群進更長(zhǎng)聲道長度情況(kuàng)下的探共挽流(liú)系統偏(piān)差。
　　超聲(shēng)流量計(jì)由于其(qí)無壓損(sǔn)、易安裝(zhuāng)、精度高等優點(diǎn),近年來得(dé)到了廣泛應用。超聲(shēng)流量(liàng)計是通過(guò)測(cè)量(liàng)超聲(shēng)波在(zài)流體(tǐ)中順流和(hé)逆流(liú)的時間差,計算聲(shēng)道上的平均流速,再對(duì)不同聲道高度的平均流速進(jìn)行積分,從(cóng)而求(qiú)得流量(liàng)"。常見的(de)探頭(tóu)安(ān)裝方式(shì)如圖(tú)1所示，在探(tàn)頭附近容(róng)易産(chǎn)生旋渦,影響了(le)時差的測量。
 
　　利(lì)用cfd方法和實流(liú).實驗研究了不(bú)同探頭插(chā)人深(shēn)度時(shí)超聲(shēng)流量(liàng)測量的偏差。爲(wèi)了分析系統偏(piān)差的來源,loland等利(lì)用piv、ldv和cfd研(yán)究了(le)探頭空腔内的局部流動(dòng)結構;對(duì)探頭空腔内的(de)流動也(yě)進(jìn)行了(le)細緻的實驗研(yán)究。兩人的研究關注點(diǎn)在于流(liú)場,實際上流量計.測(cè)到的聲波(bō)信号裏體(tǐ)現了(le)波束(shù)範(fàn)圍(wéi)内流(liú)動的影響(xiǎng)和壁面反(fǎn)射對聲波信(xìn)号的(de)幹擾，流(liú)場和聲(shēng)場(chǎng)兩者(zhě)耦合作用共同(tóng)造成(chéng)了(le)流量測(cè)量的偏差。
　　爲了(le)研究超聲流量(liàng)計探頭擾(rǎo)流影(yǐng)響的機理,合理修正探(tàn)頭擾流(liú)影響(xiǎng)造成的系(xì)統偏差,利(lì)用多(duō)物理場(chǎng)仿真軟(ruǎn)件對(duì)圖1(a)中(zhōng)的管(guǎn)道模(mó)型進(jìn)行了(le)流聲耦合仿真(zhēn),分析(xī)了(le)管道探(tàn)頭模型中的流(liú)場細(xì)節(jiē)和超聲(shēng)波耦合傳播方(fāng)式，并(bìng)通(tōng)過互相(xiàng)關(guān)算法計算時(shí)差，探(tàn)讨了探頭(tóu)擾流和壁面反射作(zuò)用對流量(liàng)測量(liàng)的影響。
1計(jì)算模型
　　仿真計(jì)算采用多(duō)物理場建(jiàn)模軟(ruǎn)件comsol。首(shǒu)先進(jìn)行流場仿(páng)真,計(jì)算模型爲帶有--對超聲探(tàn)頭安裝(zhuāng)孔的管(guǎn)道,長度爲300mm,直徑(jìng)爲70mm，探頭安裝孔(kǒng)直徑爲14mm,按照45°聲(shēng)道角分布于管(guǎn)道兩側，如圖2所示。流(liú)場(chǎng)仿真采(cǎi)用不可壓縮流動k-&湍流模型來(lái)模拟管道中流(liú)場的(de)流(liú)動過程,并用(yòng)pardiso算(suàn)法(fǎ)進行穩态(tài)求解，管道(dào)平均流速爲3m/s。
 
　　式中ƒ0爲振動頻率(lǜ),a爲振動(dòng)幅值。假設理(lǐ)想介(jiè)質水(shuǐ)域爲連續介質,聲波(bō)在(zài)水(shuǐ)域中(zhōng)的能量損(sǔn)耗爲零,利(lì)用聲波在(zài)流體中的(de)連續性方程,并通過(guò)mumps算法(fǎ)進行瞬态(tài)求(qiú)解,對聲波在(zài)水流中傳播的(de)方式進行仿真(zhēn)，
 
　　式中,p爲聲壓;p0爲(wèi)流壓力;po爲流密(mì)度(dù);c0爲聲速;v0爲流速。本文中聲速(sù)c0設置爲1481m/s。分(fèn)别在探頭a探(tàn)頭b端添(tiān)加式(1)振動速度(dù)u,爲減少計算量(liàng),設置了較低的(de)振動頻(pín)率(0.2mhz)。
2仿真(zhēn)結果分(fèn)析(xī)
2.1流場(chǎng)仿真結果
　　計算(suàn)得到的(de)探頭處流場如圖3所(suǒ)示(shì),探頭附近(jìn)存在(zài)旋渦。把探頭端面分别分(fèn)爲5個區(qū)域,以(yǐ)5個(gè)區域(yù)的中(zhōng)點m、u、d、l、r作爲計算依據(jù),分(fèn)别提(tí)取5條連線上的(de)流速(sù)分(fèn)布，比較(jiào)不同(tóng)區域(yù)的流(liú)速變化(huà)，如圖4所(suǒ)示。各個點(diǎn)與中心m的(de)距離爲3.9mm。
　　圖(tú)4中橫坐标(biāo)表示聲道方向探頭(tóu)面與聲道中心(xīn)的距(jù)離;縱(zòng)坐标(biāo)表示聲道方向(xiàng)的流(liú)速,a至b方向(xiàng)流速爲正;r區域(yù)與l區域流速(sù)分(fèn)布相(xiàng)同;ref是(shì)指參考位置即未受(shòu)到探頭擾(rǎo)流處,壁(bì)面連線之間(jiān)的區域。探(tàn)頭(tóu)a的(de)d區域(yù)和(hé)探頭b的(de)u區域流場(chǎng)有明顯的(de)速度變化(huà)，這(zhè)是因爲在探(tàn)頭安(ān)裝(zhuāng)孔處(chù)形(xíng)成了旋渦(wō),流速(sù)在這(zhè)兩個區域(yù)内變化(huà)最(zuì)爲劇烈(liè),而(ér)且(qiě)相對流(liú)場而言，安裝孔内的旋渦方向(xiàng)和大(dà)小并不相同;m區域和l區域(yù)處的流(liú)場(chǎng)相類似,受(shòu)旋渦影響(xiǎng)較小。
 
2.2聲(shēng)場(chǎng)仿真結果
　　圖5展示了(le)探頭(tóu)a發射超聲波時,超聲波的(de)傳播過程(chéng)。在探頭a、探(tàn)頭(tóu)b的壁面處,超聲波發生(shēng)了反(fǎn)射,反射信号和原信(xìn)号相(xiàng)互疊(dié)加,造(zào)成(chéng)了(le)接收面聲(shēng)壓的不對(duì)稱,進而影(yǐng)響傳播時(shí)間的測量。探(tàn)頭b接收(shōu)聲壓的分(fèn)布情(qíng)況如圖6所示,聲(shēng)壓在(zài)接收(shōu)面上(shàng)非均勻分布,在接收面(miàn)上分布(bù)-一個(gè)低壓區,低(dī)壓區中心(xīn)位于(yú)中心(xīn)偏(piān)下遊的(de)位置。
　　圖(tú)7爲(wèi)超聲傳播(bō)過(guò)程中不(bú)同位(wèi)置聲壓(yā)振(zhèn)幅的分布情況(kuàng),其中位置1~位置5已在(zài)圖5(a)中标注(zhù),統計的(de)是聲波(bō)經過該位置的(de)聲壓變化(huà)的振幅。在探頭a處的(de)壁面(miàn)反射造成了(le)發射聲壓分(fèn)布的畸變(biàn),在傳輸過程中(zhōng)逐漸減少了它的影(yǐng)響,所(suǒ)以探頭b所(suǒ)接收(shōu)的聲壓主(zhǔ)要受到(dào)b處壁面(miàn)反射的影響,在(zài)探頭(tóu)b附近低壓(yā)中心從上(shàng)遊逐(zhú)漸向(xiàng)下(xià)遊(yóu)移動(dòng)。
2.3傳播時間及流(liú)速計算
　　由(yóu)于旋(xuán)渦和(hé)璧面(miàn)反射(shè)的影響,靠近探(tàn)頭邊(biān)緣區域的(de)聲壓(yā)曲線存在一定畸變。探頭b不同(tóng)區域接收的聲壓與平均聲(shēng)壓的關系如(rú)圖8所示(shì)。其(qí)中實線代(dài)表平均聲(shēng)壓,虛(xū)線(xiàn)代表m區域處的聲(shēng)壓變(biàn)化(huà)。聲波傳播過(guò)程中,受(shòu)到不同聲波傳播(bō)路徑(jìng)和壁面反射的影響(xiǎng),接收面不同位(wèi)置,接收聲(shēng)壓幅值與(yǔ)過零點有明顯的區(qū)别。m區域(yù)處(chù)聲壓曲線(xiàn)幅值(zhí)略高(gāo)于(yú)平均聲壓曲(qǔ)線、過(guò)零(líng)點與平(píng)均聲壓曲(qǔ)線接(jiē)近;u區(qū)域和d區域處聲壓(yā)曲線過(guò)零點與平均曲(qǔ)線有較大差(chà)異(yì)。
 
 
 
　　由于探頭不同(tóng)區域聲壓變化(huà)曲線的(de)差異,采(cǎi)用平均聲壓曲線來計算時間(jiān)差,平均聲壓的(de)計算(suàn)結果接近(jìn)聲壓中心,而且有更(gèng)好的穩定(dìng)性。探(tàn)頭a、探頭b接(jiē)收到的平(píng)均聲(shēng)壓變化曲線如圖9所(suǒ)示,探頭a由于流體(tǐ)的減速作用收到波形(xíng)略晚，兩個波形(xíng)的相似度較高(gāo)。利用互相關函數(shù)計算時差:
 
　　式(shì)中,y1(m)和y2(m)爲探頭a、探(tàn)頭b接收聲(shēng)壓信(xìn)号;m爲數(shù)據長度(dù),由互相關理論，當互相關(guān)函數(shù)取得(dé)最大值的時間位移(yí),對應的是兩波形之(zhī)間的(de)時(shí)差。對r(m)進行優化(huà)求(qiú)解,假(jiǎ)設在m0點(diǎn)處(chù)取得(dé)最大值,可(kě)以求得時(shí)差△t:
 
　　實際流(liú)量計測量(liàng)時,通(tōng)常(cháng)是(shì)通過(guò)正逆(nì)向傳播時間t1、t2去和時差△t計(jì)算流(liú)速,由于(yú)流速遠(yuǎn)小于(yú)聲(shēng)速(sù)u0<<c0,可以(yǐ)進一步得(dé)到:
 
　　式(shì)中,l爲聲道(dào)長度(dù)。将△t代(dài)人(rén)到式(5)中(zhōng),可以解(jiě)得聲道方向的平均流速v'm。聲場仿真計(jì)算中,△t=1.986x10-7s,l=113.0mm,求(qiú)得(dé)v'm=i.928m/s。
　　對比管道流場(chǎng)計算結果,對(duì)聲束範(fàn)圍内(nèi)流速取平(píng)均值(zhí),求得(dé)v'm=1.934m/s,未受(shòu)到探頭(tóu)擾流(liú)區(qū)的聲道方(fāng)向平(píng)均流(liú)速vm=2.247m/s,求(qiú)得聲(shēng)場和流場計算(suàn)的系(xì)統偏差e分(fèn)别爲一14.2%和(hé)-12.5%。兩者(zhě)的差異(yì)體(tǐ)現了(le)壁面反射對修正系(xì)數的(de)影響。
 
3推論(lùn)和讨論
　　超(chāo)聲探頭對流場(chǎng)的擾(rǎo)動通(tōng)常隻(zhī)發生在(zài)探頭附(fù)近--定(dìng)範(fàn)圍内,該(gāi)範圍之外(wài)流場與上(shàng)遊充分發(fā)展的(de)流場(chǎng)相同，因此(cǐ)可(kě)以(yǐ)用加(jiā)權平(píng)均的方式(shì)将第2節中的計(jì)算結果向更長的聲道進行推(tuī)論。在圖10所(suǒ)示的(de)探頭(tóu)安裝(zhuāng)方式(shì)下,聲道角度爲(wèi)φ,探頭直徑爲d。假(jiǎ)設探頭在一定範圍内(nèi)影響流(liú)場,上(shàng)下遊(yóu)流場(chǎng)受影(yǐng)響的範圍(wéi)爲b,所(suǒ)以将(jiāng)流場(chǎng)沿聲道方向劃(huà)分成3個區域,分(fèn)别爲(wèi)兩端的流(liú)場受影響速度(dù)區和中(zhōng)間的非(fēi)影響速度區。
 
　　通(tōng)過流(liú)場和(hé)聲場(chǎng)耦合(hé)仿真(zhēn)計算(suàn)3個區域内平均(jun1)投影速度,然後(hòu)用加(jiā)權分(fèn)析的(de)方法計算凸出(chū)效應(yīng)造成的系統(tǒng)偏(piān)差(chà),如式(7)所(suǒ)示。
 
　　式中,v1、v2分别(bié)爲未受到探(tàn)頭擾(rǎo)流處(chù)上下遊受(shòu)影響速度區,聲(shēng)道方(fāng)向(xiàng)的平均(jun1)流速;v'1、v'2分别爲探(tàn)頭擾流處,上下遊受影響(xiǎng)速度區,聲(shēng)道方向的(de)平均流(liú)速(sù);v爲非(fēi)影響(xiǎng)速(sù)度區,聲(shēng)道方向的平均(jun1)流速。其中幾何(hé)尺寸(cùn)l、d、φ爲(wèi)固定值(zhí),v1、v2可以正确計算(suàn),所以确認b的範(fàn)圍和(hé)v'1、v'2的值是确(què)定修正系數的關鍵(jiàn)。
　　通(tōng)過對圖4分析可知(zhī),在這(zhè)種安(ān)裝方式下(xià),在管道(dào)中(zhōng)心位(wèi)置附近,各方向(xiàng)的流速(sù)是相近(jìn)的,流速差值小(xiǎo)于1%,可以認(rèn)爲管道中(zhōng)心(xīn)附近爲(wèi)非影響速度區(qū);在管(guǎn)道中心兩側,不(bú)同區(qū)域的(de)流速(sù)變化情況不同,可(kě)以(yǐ)認爲受影響速(sù)度區(qū)的範圍(wéi)b=3.535d。通(tōng)過耦(ǒu)合仿真(zhēn)計算,将(jiāng)非影響區域(yù)的流速平(píng)均值v=2.458m/s和(hé)平均聲(shēng)壓計算流速(sù)值v"m=1.928m/s帶(dài)人式(shì)(7)中,求(qiú)得上(shàng)下遊(yóu)影響(xiǎng)區域内的(de)平均流速(sù)(v'1+v"2)/2爲1.928m/s。再(zài)利用式(shì)(7)進行加權計算,可(kě)以推(tuī)算出更(gèng)長聲道(dào)時的(de)探頭(tóu)擾(rǎo)流影響(xiǎng),設(shè)定(dìng)非影響區域(yù)的流速爲1,求(qiú)得不同管(guǎn)道口徑下,流速(sù)的系統(tǒng)偏(piān)差e如(rú)表1所(suǒ)示,其中聲道角(jiǎo)度φ=45°,探頭直(zhí)徑d=14mm。
 
4結(jié)論
　　超聲流量計探(tàn)頭局部(bù)結構帶來(lái)的擾流效應造(zào)成了(le)其流量測量的系統偏差,這一(yī)偏差通常利用(yòng)實驗(yàn)室實流(liú)校準來修(xiū)正(zhèng)。爲了(le)更好地分(fèn)析探(tàn)頭擾流影響機(jī)理(lǐ),利(lì)用多物理(lǐ)場仿真軟件對其進(jìn)行了流聲(shēng)耦合分析,主要結論(lùn)如下:
①探頭(tóu)凹坑内(nèi)存(cún)在低(dī)速區且(qiě)有漩渦(wō),聲束範圍(wéi)内各(gè)區域的平均流(liú)速與探頭(tóu)中心(xīn)區(qū)域(yù)上的平均(jun1)流速不同,再加(jiā)上探頭附(fù)近的(de)壁面聲波(bō)反射,造成(chéng)探頭端面(miàn)不同區(qū)域接收(shōu)到的聲壓(yā)信号(hào)有差異,流量計測到(dào)的(de)聲波傳(chuán)播時間體現的是聲壓信(xìn)号統(tǒng)計平均的結(jié)果(guǒ)。
②對于帶有直徑(jìng)14mm的斜插縮(suō)進式探頭(tóu)的dn70流量計(jì),按照(zhào)探(tàn)頭收到(dào)的面平均(jun1)聲壓(yā)信号計算時差,探頭擾(rǎo)流(liú)造成(chéng)的系統偏(piān)差約(yuē)爲-14.2%。
③在仿(páng)真(zhēn)結果(guǒ)的基礎上(shàng),假設(shè)探頭(tóu)擾流影響範圍隻限于其附近(jìn)一定範圍(wéi),利(lì)用分(fèn)段加權(quán)平均(jun1)的(de)方(fāng)式(shì),推(tuī)導了更(gèng)長(zhǎng)的聲(shēng)道長(zhǎng)度情況下(xià)的探頭擾(rǎo)流系統(tǒng)偏(piān)差,發現該(gāi)偏差均爲(wèi)負偏差,其(qí)絕對(duì)值近(jìn)似等于探(tàn)頭縮進比，随(suí)着聲道長度(dù)的增加而(ér)降低。

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