摘要;超聲(sheng)流量計 測量(liàng)過程探頭大(dà)小和結構設(she)計所中探頭(tou)對流場💃的幹(gàn)擾是流量計(jì)流聲耦合仿(pang)真,定量分析(xi)了引起🔴的執(zhí)💯流效應、計算(suan)實檢量計探(tàn)頭擾流的系(xi)統偏差;了聲(shēng)道㊙️速度分布(bù)、探失聲壓1系(xì)統偏差。”i并利(li)用分段加極(ji)平均✉️的方式(shi)，這一少靠群(qún)進更長聲道(dào)長度情👨‍❤️‍👨況下(xià)的探共挽流(liu)系統偏差。
　　超(chao)聲流量計由(you)于其無壓損(sun)、易安裝、精度(dù)高等優點,近(jìn)年來得🏃‍♀️到了(le)廣泛應用。超(chao)聲流量計是(shì)通過測量超(chāo)聲🈲波在流體(ti)中順✨流和逆(ni)流的時間差(chà),計算聲道上(shang)的平均流速(sù),再對不同聲(sheng)道高度的平(píng)均流速進行(hang)積分,從而求(qiú)得流量"。常見(jiàn)的探頭安裝(zhuāng)方式如圖1所(suo)示，在探頭附(fù)近容易産生(sheng)旋渦,影響了(le)時差的測量(liang)。
 
　　利用CFD方法和(he)實流.實驗研(yán)究了不同探(tan)頭插人深度(du)時❗超聲流量(liàng)測量的偏差(chà)。爲了分析系(xi)統偏差的來(lái)源,Loland等利用PIV、LDV和(hé)CFD研究了探頭(tóu)空腔内的局(jú)部流動結構(gou);對探頭空腔(qiāng)内的流動也(yě)進行了細緻(zhi)的實驗研究(jiu)⛹🏻‍♀️。兩人的研🐪究(jiū)關注點在于(yú)流場,實際上(shang)流量計.測到(dào)🔴的聲波信号(hao)裏體現了波(bo)束範圍内流(liú)🔞動的影響和(he)壁面反射對(duì)聲波信号的(de)幹擾，流場和(he)聲場兩者耦(ou)🌈合作用共同(tóng)造成了流量(liàng)測量的偏差(cha)。
　　爲了研究超(chao)聲流量計探(tàn)頭擾流影響(xiang)的機理,合理(li)修正探頭擾(rao)流影響造成(cheng)的系統偏差(cha),利用多物理(li)⭕場仿真軟件(jian)對圖1(a)中的管(guan)🔞道模型進行(hang)了流聲耦合(hé)仿真,分析了(le)管道探頭模(mó)型中的流場(chǎng)細節和超聲(shēng)波耦合傳✂️播(bō)方式，并通過(guo)互相關算法(fǎ)計算時差，探(tàn)讨了探頭擾(rǎo)流和壁面反(fǎn)射作用對流(liu)量測量的影(yǐng)響。
1計算模型(xing)
　　仿真計算采(cǎi)用多物理場(chang)建模軟件COMSOL。首(shou)先進行流場(chang)😍仿🔴真,計🌈算模(mó)型爲帶有--對(dui)超聲探頭安(ān)裝孔的管道(dao),長度😄爲300mm,直徑(jing)爲70mm，探頭安裝(zhuang)孔直徑爲14mm,按(àn)照45°聲道角分(fen)🤟布于管道兩(liang)側，如圖2所示(shi)。流場仿真采(cǎi)用不可壓縮(suō)🌐流動k-&湍流模(mo)型來模拟管(guan)道中流場的(de)流動過程,并(bing)用PARDISO算法進行(hang)穩态求解，管(guǎn)道平均流速(su)爲3m/s。
 
　　式中ƒ0爲振(zhen)動頻率,A爲振(zhèn)動幅值。假設(shè)理想介質水(shuǐ)域爲連續介(jiè)質,聲波在水(shuǐ)域中的能量(liang)損耗爲零,利(lì)用聲波在流(liú)體中㊙️的連續(xù)性方程,并通(tōng)過MUMPS算法進行(háng)瞬态求解,對(duì)聲波在水流(liú)中傳播的方(fang)式進行仿真(zhen)，
 
　　式中,P爲聲壓(ya);P0爲流壓力;po爲(wei)流密度;c0爲聲(shēng)速;V0爲流速。本(běn)文中聲速C0設(she)🌈置爲1481m/s。分别在(zai)探頭A探頭B端(duan)添加式(1)振動(dòng)速度🙇‍♀️u,爲減少(shao)計算量,設置(zhi)了較低的振(zhèn)動頻率(0.2MHz)。
2仿真(zhen)結果分析
2.1流(liú)場仿真結果(guǒ)
　　計算得到的(de)探頭處流場(chang)如圖3所示,探(tan)頭附近存在(zài)旋渦。把探頭(tou)端面分别分(fèn)爲5個區域,以(yi)5個區域的中(zhong)點M、U、D、L、R作爲計算(suan)依據,分别提(ti)取5條連線上(shàng)的流速分布(bu)，比較不📧同區(qu)域的流速變(bian)化，如圖4所示(shi)。各個點與中(zhōng)🙇‍♀️心M的距離爲(wèi)3.9mm。
　　圖4中橫坐标(biāo)表示聲道方(fāng)向探頭面與(yu)聲道中心的(de)距離;縱坐标(biāo)表示聲道方(fang)向的流速,A至(zhì)B方向流速爲(wei)正;R區域與⛷️L區(qū)域流速⛱️分布(bu)相同;Ref是指參(cān)考位置即未(wei)受到探頭擾(rao)流㊙️處,壁面連(lián)線之間的區(qū)域。探頭A的D區(qu)域和探頭B的(de)U區域流場有(yǒu)明顯的速度(du)變化，這是因(yin)爲在探頭安(ān)裝孔處形成(chéng)了旋渦,流速(su)在這兩個區(qu)⭐域内變化最(zui)爲劇烈,而且(qiě)相對流場而(ér)言，安裝孔内(nei)🔆的旋渦方🔅向(xiang)和大㊙️小并不(bu)相同;M區域和(hé)L區域處的流(liu)場相類似,受(shòu)旋渦影🈲響較(jiao)小。
 
2.2聲場仿真(zhen)結果
　　圖5展示(shi)了探頭A發射(shè)超聲波時,超(chao)聲波的傳播(bō)過程。在探頭(tou)A、探頭B的壁面(miàn)處,超聲波發(fā)生了反射,反(fǎn)射信号和原(yuán)信号相互疊(dié)加,造成了接(jiē)收面聲壓的(de)不對⁉️稱,進而(er)影響傳播時(shí)間的測量🌈。探(tàn)頭B接㊙️收聲壓(yā)的分布情況(kuàng)如圖6所示,聲(shēng)壓在接收面(mian)上非均✂️勻分(fèn)布,在接收面(mian)上分布-一個(ge)低壓區,低壓(ya)區中心位于(yú)中心偏下遊(yóu)的位置。
　　圖7爲(wèi)超聲傳播過(guò)程中不同位(wèi)置聲壓振幅(fú)的分布情況(kuang),其中位置1~位(wèi)置5已在圖5(a)中(zhōng)标注,統計的(de)是聲波經過(guo)🌍該位置的聲(shēng)壓變化的振(zhen)幅。在探頭A處(chù)的壁面反射(shè)造成了發射(shè)聲壓✂️分布的(de)畸變,在🚶‍♀️傳輸(shu)過程中逐漸(jiàn)減少了它的(de)影響,所以探(tàn)頭B所接收的(de)聲壓主🔞要受(shòu)到B處壁面反(fǎn)射的影響,在(zài)探頭B附近低(di)壓中心從上(shàng)遊逐漸向下(xià)遊移動。
2.3傳播(bo)時間及流速(sù)計算
　　由于旋(xuan)渦和璧面反(fan)射的影響,靠(kào)近探頭邊緣(yuan)區域的聲♊壓(yā)曲線存在一(yī)定畸變。探頭(tou)B不同區域接(jie)收的聲壓🌈與(yu)平均聲💰壓的(de)關系如圖8所(suo)示。其中實線(xian)代表平均聲(sheng)壓,虛線💃🏻代表(biǎo)M區域處的聲(shēng)壓變💰化。聲波(bo)傳播🧑🏽‍🤝‍🧑🏻過程中(zhong),受到不同聲(sheng)波傳播路徑(jing)和壁面🈲反射(shè)的影響,接收(shou)面不同位置(zhì),接收聲壓幅(fú)值與過零點(diǎn)有明顯的區(qu)别。M區域處聲(shēng)壓曲線幅值(zhí)略高于平均(jun1)🧡聲壓曲線、過(guò)零點與平均(jun)聲壓曲線接(jie)近;U區域和D區(qū)域處聲壓曲(qu)線過零點與(yu)☎️平均曲線有(you)較大差異。
 
 
 
　　由(you)于探頭不同(tóng)區域聲壓變(bian)化曲線的差(cha)異,采用平均(jun1)聲壓曲線來(lái)計算時間差(cha),平均聲壓的(de)計算結果接(jie)近聲壓中心(xin),而且有更好(hǎo)的穩定性。探(tàn)頭A、探頭B接收(shōu)到的平均聲(sheng)壓變化曲線(xian)如圖9所示,探(tàn)頭A由于流體(ti)的減速作用(yòng)收到波形略(luè)晚，兩個波形(xing)的相似度較(jiào)高。利用互相(xiang)關函數計算(suan)時差:
 
　　式中,y1(m)和(hé)y2(m)爲探頭A、探頭(tóu)B接收聲壓信(xin)号;m爲數據長(zhang)度,由互相關(guān)理論👈，當互相(xiàng)關函數取得(de)最大值的時(shí)間位移,對應(yīng)的是兩波形(xíng)之間的時差(chà)。對R(m)進行優化(hua)求解🐪,假設在(zai)m0點處取得最(zui)大值,可以👅求(qiu)得時差△t:
 
　　實際(jì)流量計測量(liang)時,通常是通(tong)過正逆向傳(chuan)播時間T1、t2去和(hé)時差△t計算流(liú)速,由于流速(su)遠小于聲速(sù)u0<<C0,可以進一步(bu)🙇‍♀️得到:
 
　　式中,L爲(wèi)聲道長度。将(jiāng)△t代人到式(5)中(zhong),可以解得聲(sheng)道方向的平(ping)均🐅流速V'm。聲場(chǎng)仿真計算中(zhōng),△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求得V'm=I.928m/s。
　　對比管(guǎn)道流場計算(suan)結果,對聲束(shu)範圍内流速(su)取平均值,求(qiu)得V'm=1.934m/s,未受到探(tan)頭擾流區的(de)聲道方向平(píng)均流速Vm=2.247m/s,求🌈得(dé)聲場和流場(chang)計算的系統(tǒng)偏差E分别爲(wei)一14.2%和-12.5%。兩者的(de)差異體現了(le)壁面反射😍對(duì)修正👨‍❤️‍👨系數的(de)影響💘。
 
3推論和(hé)讨論
　　超聲探(tan)頭對流場的(de)擾動通常隻(zhī)發生在探頭(tóu)附近--定範圍(wei)内⁉️,該範圍之(zhī)外流場與上(shang)遊充分發展(zhǎn)的流場相㊙️同(tong)，因✔️此可以用(yòng)加權平均的(de)方式将第2節(jiē)中的計算結(jié)果向更♈長的(de)聲❤️道進行推(tuī)論。在圖10所示(shi)的探頭安裝(zhuang)方式下,聲道(dào)角度爲φ,探頭(tóu)直徑爲D。假設(shè)探頭㊙️在一定(ding)範圍内影響(xiang)流場,上下遊(you)流場受影響(xiang)的範圍爲b,所(suo)以将流場沿(yan)聲道方向劃(huà)分成3個區域(yu)⭕,分别爲兩端(duān)的流場受🔞影(ying)響速度區和(he)中間的非影(ying)響速度區。
 
　　通(tōng)過流場和聲(sheng)場耦合仿真(zhen)計算3個區域(yù)内平均投📱影(ying)速度,然後用(yong)加權分析的(de)方法計算凸(tū)出效應造成(cheng)的系統偏差(cha),如式(7)所示。
 
　　式(shi)中,V1、V2分别爲未(wèi)受到探頭擾(rao)流處上下遊(you)受影響速度(du)區💋,聲道方向(xiang)的平均流速(su);V'1、V'2分别爲探頭(tóu)擾流處,上下(xia)遊💯受影響速(sù)度區🏃‍♂️,聲道方(fāng)向的平均流(liu)速;V爲非影響(xiang)速度區,聲道(dao)方向的平均(jun1)流🙇🏻速。其中幾(ji)何尺寸L、D、φ爲固(gu)定值,V1、V2可以正(zheng)确計算,所以(yǐ)确認b的範圍(wéi)和V'1、V'2的值是🔴确(què)定修正系數(shu)的關鍵。
　　通過(guò)對圖4分析可(ke)知,在這種安(ān)裝方式下,在(zài)管道中心位(wèi)置附近,各方(fang)向的流速是(shì)相近的,流速(su)差值小于1%,可(ke)以認爲管道(dào)中心附近爲(wei)非影響速度(du)區;在管道中(zhōng)心✨兩側,不同(tong)區域的流速(su)變化情況不(bú)同,可以認爲(wei)受影㊙️響速度(dù)區的範圍b=3.535D。通(tong)過耦合仿真(zhen)計算,将非影(ying)響區域的流(liu)速平均㊙️值V=2.458m/s和(hé)平均聲壓計(jì)算流速🤟值V"m=1.928m/s帶(dài)人式(7)中,求得(dé)上下遊影響(xiang)💞區域内的平(píng)均流速(V'1+V"2)/2爲1.928m/s。再(zài)利用式(7)進行(háng)加權計😍算,可(kě)以推算出更(geng)長聲道時⁉️的(de)探頭擾流影(ying)響,設定非影(yǐng)響區域的流(liú)速爲1,求🙇‍♀️得不(bu)同管道口徑(jìng)下,流速的系(xì)統偏差E如表(biao)1所示,其中聲(shēng)道角度φ=45°,探頭(tóu)直徑D=14mm。
 
4結論
　　超(chāo)聲流量計探(tàn)頭局部結構(gou)帶來的擾流(liu)效應造成了(le)其流量測量(liàng)的系統偏差(cha),這一偏差通(tong)常利用實驗(yàn)室實流校準(zhǔn)來修正。爲🏃🏻‍♂️了(le)更好地分析(xi)探頭擾流影(ying)響機理,利用(yong)多物理場仿(páng)真軟件對其(qi)進行了流⛱️聲(sheng)耦合分析,主(zhu)要結論如下(xià):
①探頭凹坑内(nei)存在低速區(qu)且有漩渦,聲(sheng)束範圍内各(gè)區域🏃‍♀️的平均(jun)流速與探頭(tóu)中心區域上(shàng)的平均流速(su)不同😘,再加上(shang)探頭附近的(de)壁面聲波反(fǎn)射,造成探頭(tou)端面不同區(qū)域接收到的(de)聲壓🈚信号有(yǒu)差異,流量計(ji)🏃‍♀️測到的聲波(bō)傳播時🏃🏻‍♂️間體(ti)現的是聲壓(yā)信号統計平(píng)均的結果。
②對(duì)于帶有直徑(jing)14mm的斜插縮進(jìn)式探頭的DN70流(liú)量計,按照🚩探(tàn)👌頭收到的面(miàn)平均聲壓信(xìn)号計算時差(chà),探頭擾流造(zào)成的系統偏(pian)☁️差約🔱爲-14.2%。
③在仿(pang)真結果的基(jī)礎上,假設探(tan)頭擾流影響(xiǎng)範圍隻限于(yú)其附🌂近一定(dìng)範圍,利用分(fen)段加權平均(jun1)的方式,推導(dǎo)了更長的聲(shēng)道長度情況(kuang)下的探頭擾(rǎo)流系統偏差(cha),發現該偏差(chà)均爲負偏差(cha),其絕對✉️值近(jìn)似等于探頭(tou)縮進比，随着(zhe)聲道長度的(de)增加而降低(dī)。

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