摘要;超聲流(liu)量計 測量過程探(tàn)頭大小和結構設(she)計所中探頭對流(liu)場的幹擾是✨流量(liàng)計流聲耦合仿真(zhēn),定量分析了引起(qǐ)的執流效😍應、計算(suàn)實檢量計探頭擾(rǎo)流的系統偏差💛;了(le)聲道⭐速度分布、探(tan)失✏️聲壓1系統偏差(chà)。”i并利用分段加極(jí)平均的方式，這一(yī)少靠群🔞進更長聲(sheng)道長度情況下的(de)探共挽流系統偏(pian)♉差。
　　超聲流量計由(you)于其無壓損、易安(an)裝、精度高等優點(diǎn),近年來得🌈到了廣(guang)泛應用。超聲流量(liàng)計是通過測量超(chāo)聲波在流體中順(shun)流和逆流的時間(jiān)差,計算聲道上的(de)平均流速,再對不(bú)同聲道高度的🐆平(píng)均流速進行積分(fen),從而求得流量"。常(chang)見的探頭安裝方(fang)式如圖🔴1所示，在探(tan)頭附近容易産生(shēng)旋渦,影響了時差(chà)的測量。
 
　　利用CFD方法(fa)和實流.實驗研究(jiu)了不同探頭插人(rén)深度時超聲流⁉️量(liàng)🏃🏻‍♂️測量的偏差。爲了(le)分析系統偏差的(de)來源,Loland等利用PIV、LDV和CFD研(yan)究了探頭空腔内(nei)的局部流動結構(gòu);對探頭空腔内的(de)流動也進行了細(xi)緻的實驗研究👅。兩(liang)人的研究關注點(diǎn)⛷️在于流場,實際上(shàng)流量計.測到🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的聲(sheng)波信号裏體現了(le)波束範圍内流動(dòng)的影響和壁面反(fǎn)射對聲波信号的(de)幹擾，流場和聲場(chǎng)兩者耦💚合作用共(gòng)同造成了流量測(ce)量的偏🏃‍♂️差。
　　爲了研(yán)究超聲流量計探(tan)頭擾流影響的機(jī)理,合理💯修正探頭(tou)擾📧流影響造成的(de)系統偏差,利用多(duo)物理場仿真軟件(jian)對圖1(a)中的管道模(mo)型進行了流聲耦(ou)合仿真,分析了管(guǎn)道探頭模型中的(de)流場細節和超聲(sheng)波耦合傳播方式(shì)，并通過互相關算(suàn)法計算時差，探🌈讨(tǎo)了探頭擾流和壁(bì)面反射作用對流(liú)量測量的影響。
1計(jì)算模型
　　仿真計算(suàn)采用多物理場建(jian)模軟件COMSOL。首先進行(háng)流場仿真,計算模(mó)型爲帶有--對超聲(sheng)探頭安裝孔的管(guan)道,長度爲300mm,直🌍徑爲(wèi)📧70mm，探頭安裝孔直徑(jìng)爲14mm,按照45°聲道角分(fèn)布于管道兩側㊙️，如(ru)圖2所示。流場仿真(zhēn)采🤟用不可壓縮流(liú)動k-&湍流模型來模(mo)拟管道中流場的(de)流動過程,并⁉️用PARDISO算(suàn)法進行穩态求解(jie)，管道平均流速爲(wei)3m/s。
 
　　式中ƒ0爲振動頻率(lü),A爲振動幅值。假設(shè)理想介質水域爲(wei)連續介🆚質,聲波在(zài)水域中的能量損(sun)耗爲零,利用聲波(bō)在流㊙️體中的連續(xu)性方程,并通過MUMPS算(suàn)法進行瞬态求解(jiě),對聲波在水流中(zhōng)傳播的方式進行(hang)仿真，
 
　　式中,P爲聲壓(ya);P0爲流壓力;po爲流密(mi)度;c0爲聲速;V0爲流速(sù)。本文中聲🔅速C0設⁉️置(zhì)爲1481m/s。分别在探頭A探(tan)頭B端添加式(1)振動(dòng)速度u,爲減👈少計算(suan)量📞,設置了較低的(de)振動頻率(0.2MHz)。
2仿真結(jié)果分析
2.1流場仿真(zhen)結果
　　計算得到的(de)探頭處流場如圖(tú)3所示,探頭附近存(cun)在📱旋渦。把探🔴頭端(duan)面分别分爲5個區(qū)域,以5個區域的中(zhōng)點M、U、D、L、R作✔️爲計算依據(jù),分别提取5條連線(xian)上的流速分布，比(bi)較不同區域的流(liu)速變化，如圖4所示(shi)。各個點與中心M的(de)距離爲3.9mm。
　　圖4中橫坐(zuo)标表示聲道方向(xiang)探頭面與聲道中(zhōng)心的距🧑🏽‍🤝‍🧑🏻離;縱坐💔标(biāo)表示聲道方向的(de)流速,A至B方向流速(sù)爲正;R區域與L區域(yù)🏒流速分布相同;Ref是(shì)指參考位置即未(wei)受到探頭擾流處(chu),壁面連線之間的(de)區域。探頭A的D區域(yu)和探頭B的U區域流(liu)場有明顯💚的速度(du)變化，這是因爲在(zai)探頭安裝孔處形(xing)成了旋渦,流速在(zài)這兩個區👨‍❤️‍👨域内變(biàn)化最爲劇烈,而且(qiě)相對流場而言，安(an)裝孔内💜的旋渦方(fāng)向和大⁉️小并不相(xiàng)同;M區域和L區域處(chu)的流場相類似,受(shòu)旋渦影響較小。
 
2.2聲(sheng)場仿真結果
　　圖5展(zhan)示了探頭A發射超(chāo)聲波時,超聲波的(de)傳播過程。在探頭(tou)A、探頭✏️B的壁面處,超(chao)聲波發生了反射(shè),反射信号和原信(xin)号相互疊加,造成(cheng)了接收面聲壓的(de)不對稱,進而影響(xiang)傳播時間的測量(liang)。探頭B接‼️收聲壓的(de)分布情況如圖6所(suǒ)示,聲壓在接收面(miàn)上非均勻分布,在(zai)㊙️接收面上分布-一(yī)個低壓區,低壓區(qu)中心位于中心偏(piān)下遊的位✊置。
　　圖7爲(wei)超聲傳播過程中(zhong)不同位置聲壓振(zhèn)幅的分布情況,其(qí)中位置1~位置5已在(zai)圖5(a)中标注,統計的(de)是聲波經過該位(wei)置的聲壓變化的(de)振幅。在探頭A處的(de)壁面反射造成了(le)發射聲壓分布的(de)畸變,在傳輸過程(cheng)中逐漸減少了它(tā)的影響,所以探頭(tou)B所接收的聲壓主(zhu)要受到B處壁面反(fan)射的影響,在探頭(tóu)B附近低壓中心📐從(cong)上遊逐漸向下遊(yóu)移動。
2.3傳播時間及(jí)流速計算
　　由于旋(xuán)渦和璧面反射的(de)影響,靠近探頭邊(bian)緣區域的✔️聲壓曲(qǔ)線存在一定畸變(biàn)。探頭B不同區域接(jiē)收的聲壓與平均(jun1)聲👄壓的關系如圖(tu)8所示。其中實線代(dài)表平均聲📞壓,虛線(xian)代表M區域處的聲(sheng)壓變化。聲波傳播(bō)過程中,受到不同(tóng)聲波傳播路徑和(he)壁面反射的影響(xiǎng),接收面不同位置(zhi),接收聲壓幅值與(yu)過零點有明顯的(de)區别。M區☀️域處聲壓(ya)曲線幅📧值略高于(yú)平均聲壓曲線、過(guo)零點與平均聲壓(ya)曲線接近;U區域和(he)D區域處聲壓曲線(xian)過零點與平均曲(qǔ)線有較大差異。
 
 
 
　　由(you)于探頭不同區域(yù)聲壓變化曲線的(de)差異,采用平均聲(sheng)壓曲線來計算時(shí)間差,平均聲壓的(de)計算結果接近聲(sheng)壓👄中心,而且有更(gèng)好的穩定性。探頭(tou)A、探頭B接收到的平(píng)均聲壓變化曲線(xian)如圖9所示✌️,探頭A由(you)于流體的減速作(zuo)用收到波形略晚(wǎn)📐，兩個波形✌️的相似(sì)度較高。利用互相(xiàng)關函數計🆚算時差(cha):
 
　　式中,y1(m)和y2(m)爲探頭A、探(tan)頭B接收聲壓信号(hao);m爲數據長度,由互(hu)相關理📐論，當互相(xiang)關函數取得最大(da)值的時間位🐇移,對(dui)🏒應的是兩波形之(zhi)間的時差。對R(m)進行(háng)優化求解,假設在(zài)♋m0點處取得最大值(zhi),可以求得時🌐差△t:
 
　　實(shi)際流量計測量時(shí),通常是通過正逆(nì)向傳播時間T1、t2去和(he)時差△t計算流速,由(you)于流速遠小于聲(sheng)速u0<<C0,可以進一步得(dé)到:
 
　　式中,L爲聲道長(zhang)度。将△t代人到式(5)中(zhōng),可以解得聲道方(fang)向的平均流速V'm。聲(sheng)場仿真計算中,△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求(qiú)得V'm=I.928m/s。
　　對比管道流場(chang)計算結果,對聲束(shu)範圍内流速取平(píng)均值,求得🌈V'm=1.934m/s,未☁️受到(dao)探頭擾流區的聲(shēng)道方向平均流速(su)Vm=2.247m/s,求得聲場和流場(chǎng)計算的系統偏差(cha)E分别爲一14.2%和-12.5%。兩者(zhe)的差異體現了壁(bì)面反射對修正系(xì)數的影響‼️。
 
3推論和(he)讨論
　　超聲探頭對(duì)流場的擾動通常(cháng)隻發生在探頭附(fù)近--定範圍内,該範(fàn)圍之外流場與上(shang)遊充分發展的流(liú)場相👄同，因此可以(yi)用加權平均的方(fang)式将第2節中的👄計(jì)算結🐆果向更長的(de)聲道進行推論。在(zai)📧圖10所示的探頭安(an)裝方🚶式下,聲道角(jiao)度爲φ,探頭直徑爲(wèi)D。假設探頭👨‍❤️‍👨在一定(ding)範圍内影響流場(chǎng),上下遊流場受影(yǐng)響的範⛹🏻‍♀️圍爲b,所以(yǐ)将流場沿聲道方(fāng)向劃分成3個區域(yù),分别爲兩端的🤩流(liú)場受影響速度區(qū)和中間的非影響(xiang)速度區。
 
　　通過流場(chǎng)和聲場耦合仿真(zhēn)計算3個區域内平(ping)均投影✏️速度,然🌐後(hou)用加權分析的方(fang)法計算凸出效應(yīng)造成的系統偏差(chà)🤞,如式(7)所示。
 
　　式中,V1、V2分(fen)别爲未受到探頭(tóu)擾流處上下遊受(shòu)影響速度‼️區,聲道(dào)方向的平均流速(su);V'1、V'2分别爲探頭擾流(liu)處,上💛下遊受影響(xiǎng)速度區,聲道方向(xiang)的平均流速;V爲非(fēi)影響速度🏃區,聲道(dao)方向的平均流👉速(sù)。其中🐇幾何尺寸L、D、φ爲(wèi)固定值,V1、V2可☀️以正确(què)計算,所以确🌈認b的(de)範圍和V'1、V'2的值是确(que)定修正系數的關(guān)鍵。
　　通過對圖4分析(xi)可知,在這種安裝(zhuāng)方式下,在管道中(zhōng)心位置附近,各方(fang)向的流速是相近(jìn)的,流速差值小🐇于(yu)1%,可以認爲管㊙️道中(zhōng)心附近爲非影響(xiang)速度區;在管道中(zhong)心兩側,不同區域(yù)的流速變化情🈲況(kuang)不同,可以認爲受(shòu)影響速度區的範(fàn)圍b=3.535D。通過耦合仿💘真(zhēn)計算,将非影響區(qu)域的流速平均值(zhí)V=2.458m/s和平均聲壓計算(suan)流速🏃值V"m=1.928m/s帶人式(7)中(zhōng)🏒,求得上下遊影響(xiang)區域内的平均流(liú)速(V'1+V"2)/2爲1.928m/s。再利用式(7)進(jìn)行加權計💋算,可以(yǐ)推算出更長聲道(dao)時的探頭擾流影(ying)響,設定非影響區(qū)域的流速爲1,求👉得(de)不同管✨道口徑下(xià),流速的系統偏差(cha)E如表1所示,其中聲(sheng)道角度φ=45°,探頭直徑(jing)D=14mm。
 
4結論
　　超聲流量計(ji)探頭局部結構帶(dài)來的擾流效應造(zao)成了其流🤟量測量(liàng)的系統偏差,這一(yi)偏差通常利用實(shí)驗室實流校準來(lai)修正。爲了更好地(dì)分析探頭擾流影(ying)響機理,利用多物(wu)理場仿真軟件對(dui)其進行了流聲耦(ou)合分析,主要結論(lùn)如下:
①探頭凹坑内(nèi)存在低速區且有(you)漩渦,聲束範圍内(nei)各區域的平均流(liú)速與探頭中心區(qu)域上的平均流速(su)☀️不同,再加上探💯頭(tou)附近的壁面聲波(bo)反射,造成探頭端(duan)面不同區域接收(shou)到的聲壓信号有(you)差異,流量計測到(dao)的聲波傳播時💃🏻間(jiān)體現的是聲壓信(xin)号統計平均的結(jié)果。
②對于帶有直徑(jing)14mm的斜插縮進式探(tàn)頭的DN70流量計,按照(zhao)探頭收到的面平(píng)均聲壓信号計算(suàn)時差,探頭擾流🔴造(zào)成的系統偏差約(yuē)爲-14.2%。
③在仿真結果的(de)基礎上,假設探頭(tou)擾流影響範圍隻(zhī)限于其附近一定(dìng)範圍,利用分段加(jiā)權平均的方式🌍,推(tuī)導了更長的聲道(dào)長度情況下的探(tan)頭擾流系統偏差(cha),發現該偏差均爲(wei)負偏差,其絕對值(zhí)近似等于探頭縮(suō)進比，随着聲道長(zhǎng)度的增加而降🐅低(dī)。

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