基于流場(chǎng)和聲場(chǎng)耦合的超聲流量測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、隨著數(shù)字信號(hào)處理、超聲換能器材料和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲流量測(cè)量技術(shù)取得長足進(jìn)展。不同原理、各種形式及適用于不同場(chǎng)合的超聲波流量計(jì)相繼出現(xiàn)于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。其中，時(shí)差法超聲波流量計(jì)以測(cè)量精度高、量程比寬、無任何活動(dòng)部件、輸出通訊功能齊全等優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用最為廣泛的一種超聲波流量計(jì)。時(shí)差法超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管道中流體的流速分布（換能器的安裝效應(yīng)）和解決聲波在其內(nèi)的傳輸問題（順、逆流傳播時(shí)差）。本文針對(duì)不同結(jié)構(gòu)超聲波流量計(jì)內(nèi)的

2、水流特性，通過對(duì)比數(shù)值模擬和實(shí)流實(shí)驗(yàn)的K系數(shù)或者儀表系數(shù)選擇合適的湍流模型獲取流量計(jì)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)背景流場(chǎng)，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超聲波流量計(jì)內(nèi)水流特性的影響。將流場(chǎng)結(jié)果準(zhǔn)確的映射到聲場(chǎng)網(wǎng)格后，采用流場(chǎng)和聲場(chǎng)耦合的方法研究不同速度分布對(duì)超聲傳播規(guī)律的影響，并依據(jù)射線追蹤法的計(jì)算結(jié)果對(duì)傳統(tǒng)的聲波沿直線傳播假設(shè)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，利用間斷有限元法求解聲傳播方程并以圖形化的形式展現(xiàn)聲波在流量計(jì)內(nèi)的傳播過程和管壁之間的相互作用。本文開展的主要工作如下:<

3、br>　　1.在利用經(jīng)驗(yàn)公式描述圓管內(nèi)湍流速度分布的基礎(chǔ)上，采用射線追蹤法計(jì)算聲波順、逆流傳播的非線性軌跡。由于水中聲速和水流速度的較大差異，介質(zhì)流速對(duì)聲波傳播的軌跡和方向性影響較小，即在DN50口徑超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi)仍可按直線傳播假設(shè)進(jìn)行計(jì)算。采用RKDG(Runge-Kutta Discontinuous Galerkin)方法（以間斷有限元法進(jìn)行空間離散和顯式Runge-Kutta方法進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)計(jì)算）對(duì)一款Z型超聲波水表進(jìn)

4、行三維數(shù)值模擬，計(jì)算過程分為流場(chǎng)計(jì)算和聲場(chǎng)計(jì)算兩個(gè)部分。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型獲得超聲傳播的穩(wěn)態(tài)背景流場(chǎng)。對(duì)聲學(xué)變量作線性化假設(shè)，從歐拉方程、連續(xù)性方程和狀態(tài)方程中獲得絕熱狀態(tài)下聲傳播方程。通過對(duì)比三個(gè)選自氣動(dòng)聲學(xué)的計(jì)算實(shí)例，驗(yàn)證網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長設(shè)置的合理性。將方波脈沖激勵(lì)下?lián)Q能器端面振動(dòng)特性隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行簡化處理，作為法向速度邊界條件加載到發(fā)射換能器的端面上，以圖形化的形式展現(xiàn)聲波在順流情況下的傳播過程。切換發(fā)射和接收換能器的相對(duì)

5、位置，重新計(jì)算得到聲波逆流傳播時(shí)相應(yīng)接收換能器端面的平均聲壓分布。利用閾值檢測(cè)技術(shù)對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行處理，從聲波在流場(chǎng)中傳播的角度獲得的時(shí)差要小于實(shí)驗(yàn)得到的時(shí)差值。按直線傳播假設(shè)對(duì)比模擬和實(shí)驗(yàn)的K系數(shù)，兩者之間的變化趨勢(shì)比較一致。該方法為模擬聲波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和流動(dòng)中傳播提供可能性。
　　2.超聲波流量計(jì)在用于氣體流量測(cè)量時(shí)，介質(zhì)流速對(duì)聲傳播軌跡和方向性的影響不容忽視。將數(shù)值模擬得到的流場(chǎng)結(jié)果準(zhǔn)確的映射到聲場(chǎng)網(wǎng)格后，采用射線追蹤法獲得聲波

6、在理想流場(chǎng)中S型和考慮換能器安裝效應(yīng)的非理想流場(chǎng)中U型傳播軌跡。利用最小二乘法對(duì)聲波向下游偏轉(zhuǎn)的距離Δd和空氣流速進(jìn)行曲線擬合，該結(jié)果可用于指導(dǎo)外夾式超聲波流量計(jì)換能器的安裝以獲得較強(qiáng)的接收信號(hào)，并結(jié)合修正模型將測(cè)量誤差降低至2％以下。采用間斷有限法求解聲傳播方程，以圖形化形式展現(xiàn)聲波波束沿流動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)使得主軸波束不再全部作用到接收換能器上，而是主軸波束的一部分和外延球面波的組合。兩者之間較大的能量差異使得聲壓信號(hào)的幅值減小

7、。接收端聲壓幅值隨空氣流速的變化關(guān)系可為超聲波氣體流量計(jì)信號(hào)處理中閾值的設(shè)定提供一定的參考價(jià)值。
　　3.對(duì)超聲波流量計(jì)中的反射裝置進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，利用聲-固耦合的方法將流體域內(nèi)的聲壓和固體域中的結(jié)構(gòu)變形聯(lián)系起來。在流體域內(nèi)求解Helmholtz方程，得到的聲壓作用于固體表面使得超聲波反射裝置受到載荷，而結(jié)構(gòu)變形在固體邊界的法向上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化加速度。選取一款超聲波流量計(jì)的反射裝置并將其置于無限大空間中，通過一個(gè)球體對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行

8、分割得到有限元計(jì)算區(qū)域，將超聲波換能器簡化為垂直入射計(jì)算區(qū)域的平面波。通過對(duì)硬邊界、鋁材料和不銹鋼的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析三種情況下超聲波傳播過程中三條路徑上的聲壓級(jí)變化，得出固體域的結(jié)構(gòu)變形對(duì)超聲波傳播過程中聲壓分布產(chǎn)生影響;不銹鋼材料宜作為反射裝置的材料。
　　4.超聲波流量計(jì)應(yīng)用于小管徑時(shí)，在基表內(nèi)部加裝反射裝置，延長聲程，提高測(cè)量精度。反射裝置對(duì)超聲波流量計(jì)基表內(nèi)水流特性影響較大，為了優(yōu)化表內(nèi)水流特性，針對(duì)U型反射的特點(diǎn)提