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(tóu)對流場的幹(gàn)擾是流量計(jì)流聲耦合仿(pang)真,定量分析(xī)了引起的執(zhí)流效應、計算(suan)實檢量計探(tan)頭擾流的系(xì)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(lì)用分段加極(ji)平均的方式(shì)，這一少靠群(qún)👉進更長聲道(dào)長度情☁️況下(xia)的探共挽流(liú)系統偏差。
　　超(chao)聲流量計由(yóu)于其無壓損(sun)、易安裝、精度(du)高等優點,近(jìn)🛀年來得到🧑🏽‍🤝‍🧑🏻了(le)廣泛應用。超(chāo)聲流量計是(shì)通過測量超(chao)聲❤️波在流體(ti)⭐中順流和逆(nì)流的時間差(chà),計算聲道上(shang)的平均流速(su)🧡,再對不同聲(sheng)道👨‍❤️‍👨高度的平(ping)均流速進行(háng)積分,從而求(qiú)得流量"。常見(jian)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(hé)實流.實驗研(yán)究了不同探(tan)頭插人深度(du)時超聲流量(liang)測量的偏差(chà)。爲了分析系(xi)統偏差的來(lai)源,Loland等利用PIV、LDV和(hé)CFD研究了探頭(tóu)空腔内的局(ju)部流動結構(gòu);對探頭空腔(qiang)内的流動也(yě)進行了細緻(zhi)的實驗研究(jiū)。兩人的研究(jiu)關注點🐉在于(yu)流場,實際上(shang)流量計.測到(dao)✊的聲波信号(hao)📐裏體現了波(bo)束範圍内流(liú)動的影響和(hé)壁面反射對(duì)🏃🏻聲波信号的(de)幹擾，流場和(he)聲場兩者耦(ǒu)合作用共同(tong)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(chéng)的系統偏差(chà),利用多物理(li)場仿真軟件(jiàn)對圖1(a)中的管(guǎn)道模型進行(háng)了流聲耦合(he)仿真,分析了(le)管道探頭🧡模(mó)型中的流場(chǎng)細節和超聲(sheng)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(fan)射作用對流(liú)量測量的影(yǐng)🔱響。
1計算模型(xíng)
　　仿真計算采(cai)用多物理場(chǎng)建模軟件COMSOL。首(shou)先進行流場(chang)仿真,計算模(mo)型爲帶有--對(dui)超聲探頭安(ān)裝孔的管道(dao),長度爲300mm,直徑(jìng)爲70mm，探頭👄安裝(zhuang)孔直徑爲14mm,按(àn)照45°聲道角分(fèn)布于管道兩(liang)側，如圖2所示(shì)。流場仿真采(cai)用不可壓縮(suō)⛷️流動k-&湍流模(mo)型來模拟管(guǎn)道中流場的(de)流動過程,并(bing)⛱️用PARDISO算法進行(háng)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(zhen)動幅值。假設(shè)理想介質水(shui)域爲連續介(jie)🏃🏻‍♂️質,聲波在水(shuǐ)域中的能量(liang)損耗爲零,利(li)用☎️聲波在流(liú)體中的連續(xù)性方程,并通(tong)過MUMPS算法進行(háng)瞬态求解,對(dui)聲波在水流(liu)中傳播的方(fāng)式進行仿真(zhen)，
 
　　式中,P爲聲壓(yā);P0爲流壓力;po爲(wei)流密度;c0爲聲(shēng)速;V0爲流速。本(ben)文中聲速C0設(shè)置爲1481m/s。分别在(zài)探頭A探頭B端(duān)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(zhēn)結果分析
2.1流(liu)場仿真結果(guǒ)
　　計算得到的(de)探頭處流場(chǎng)如圖3所示,探(tàn)頭附近存在(zai)旋渦。把探頭(tou)端面分别分(fen)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(tí)取5條連線上(shang)的流速分布(bù)🌈，比較不🚩同區(qu)域的流速🈲變(bian)化，如♋圖4所示(shi)。各個點與中(zhong)心M的距離爲(wei)3.9mm。
　　圖4中橫坐标(biao)表示聲道方(fāng)向探頭面與(yǔ)聲道中心的(de)距離♍;縱坐🧑🏽‍🤝‍🧑🏻标(biāo)表示聲道方(fāng)向的流速,A至(zhi)B方向流速爲(wèi)❄️正;R區域與👈L區(qu)域流速分布(bu)相同;Ref是指參(can)考位置即未(wèi)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(qū)域和探頭B的(de)U區域流場有(you)明顯的速度(dù)變化，這是因(yīn)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(xiàng)和大小并不(bú)相同;M區域和(he)L區域處的流(liú)場相類似,受(shou)旋渦影響較(jiào)小。
 
2.2聲場仿真(zhēn)結果
　　圖5展示(shi)了探頭A發射(she)超聲波時,超(chāo)聲波的傳播(bo)過程。在探頭(tou)A、探♉頭B的壁面(mian)處,超聲波發(fa)生了反射,反(fan)射信号和原(yuan)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(shi)間的測量。探(tan)頭B接🈲收聲壓(ya)的分布情況(kuang)如🏃🏻‍♂️圖6所示,聲(sheng)壓在接收✌️面(miàn)上非均勻分(fen)布,在接收面(miàn)上分布-一個(ge)低壓⛹🏻‍♀️區,低壓(yā)區中心位于(yú)中心☁️偏下遊(yóu)的位置。
　　圖7爲(wèi)超聲傳播過(guo)程中不同位(wèi)置聲壓振幅(fu)的分布情⭕況(kuàng),其中位置1~位(wei)置5已在圖5(a)中(zhong)标注,統計的(de)是聲波經過(guo)該位🔞置的聲(sheng)壓變化的振(zhen)幅。在探頭A處(chù)的壁面反射(shè)造成了發射(she)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(shou)到B處壁✌️面反(fǎn)射的影👄響,在(zài)探頭B附近低(dī)壓中心從上(shàng)遊逐漸向🌂下(xià)遊移動。
2.3傳播(bō)時間及流速(su)計算
　　由于旋(xuán)渦和璧面反(fan)射的影響,靠(kao)近探頭邊緣(yuán)區域的聲🈚壓(ya)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(shēng)✍️壓,虛線代表(biao)M區域處的聲(shēng)壓變化。聲波(bō)傳播過程中(zhong),受到不同聲(sheng)波傳播路徑(jìng)和壁面反射(she)的影響,接收(shou)面不同位置(zhì),接收聲壓幅(fu)值與過零點(diǎn)有明顯的區(qu)别。M區域處聲(shēng)壓曲線幅值(zhi)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(qu)域處聲✌️壓曲(qǔ)線過零點與(yu)平均曲線有(you)較大🈲差異。
 
 
 
　　由(you)于探頭不同(tong)區域聲壓變(biàn)化曲線的差(cha)異,采用平均(jun1)聲壓🐉曲線來(lai)計算時間差(chà),平均聲壓的(de)計算結果接(jie)近聲壓中心(xīn),而且有更好(hǎo)的穩定性。探(tan)頭A、探頭B接收(shōu)到的平均聲(sheng)👨‍❤️‍👨壓變化⭐曲線(xiàn)如圖9所示,探(tàn)頭A由于流體(ti)的減速作用(yong)收到🏃波形略(luè)晚，兩個波形(xíng)的相似度較(jiao)高。利用互相(xiang)關函數計算(suàn)時差:
 
　　式中,y1(m)和(hé)y2(m)爲探頭A、探頭(tou)B接收聲壓信(xin)号;m爲數據長(zhǎng)度,由互😍相關(guan)理論，當互相(xiang)關函數取得(de)最大值的時(shí)間位移,對應(ying)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(zuì)大值,可以求(qiu)得時差△t:
 
　　實際(jì)流量計測量(liang)時,通常是通(tōng)過正逆向傳(chuan)播時間T1、t2去和(hé)時⁉️差△t計算流(liu)速,由于流速(su)遠小于聲速(su)u0<<C0,可以進一步(bù)得到:
 
　　式中,L爲(wèi)聲道長度。将(jiang)△t代人到式(5)中(zhong),可以解得聲(sheng)道方向的平(píng)均流👈速V'm。聲場(chang)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(suàn)結果,對聲束(shu)範圍内流速(su)取平均值,求(qiú)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(chǎng)計算的系統(tong)偏差E分别爲(wèi)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(he)讨論
　　超聲探(tàn)頭對流場的(de)擾動通常隻(zhi)發生在探頭(tou)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(yong)🌐加權平均的(de)方式将第2節(jie)中的計算結(jie)果向更長的(de)聲道進行🌈推(tuī)論。在圖10所示(shì)的探頭安裝(zhuang)方式下,聲道(dao)㊙️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(yóu)流場受影響(xiǎng)的範圍爲b,所(suo)以将流場沿(yán)聲道方向劃(huà)分成3個區域(yu),分别爲兩端(duan)的流場受影(yǐng)響速度區和(he)中間的非影(yǐng)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(yǐng)🏃‍♀️速度,然後用(yong)加權分析的(de)方法計算凸(tū)出效應造成(chéng)的系統偏差(chà)❓,如式(7)所示。
 
　　式(shì)中,V1、V2分别爲未(wèi)受到探頭擾(rǎo)流處上下遊(you)受影響速度(dù)🐅區,聲道方向(xiang)的平均流速(su);V'1、V'2分别爲探頭(tou)擾流處,上下(xià)遊受影響速(sù)度區,聲道方(fang)向的平均流(liu)速;V爲非影響(xiang)速度區,聲道(dao)💰方向的平均(jun)流速。其中幾(jǐ)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(wei)和V'1、V'2的值是🍉确(què)定修正系數(shù)的關鍵。
　　通過(guo)對圖4分析可(kě)知,在這種安(an)裝方式下,在(zài)管道中心位(wei)置附🐉近,各方(fang)向的流速是(shi)相近的,流速(su)差值小于1%,可(kě)以認爲管道(dao)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(bu)同,可以認爲(wèi)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(yǐng)響區域的流(liu)速平均📱值V=2.458m/s和(he)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(zai)利用式(7)進行(hang)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(ying)響區域的流(liu)速爲1,求👌得不(bu)同管道口徑(jìng)下,流✔️速的系(xi)統偏差E如表(biao)1所示,其中聲(shēng)道角度φ=45°,探頭(tou)直徑D=14mm。
 
4結論
　　超(chao)聲流量計探(tan)頭局部結構(gou)帶來的擾流(liú)效應造成了(le)其👅流量測量(liang)的系統偏差(cha),這一偏差通(tōng)常利用實驗(yàn)室實流校準(zhǔn)來修正。爲了(le)更好地分析(xī)探頭擾流影(ying)響機理,利用(yong)多物理🤞場仿(pang)真㊙️軟件對💃🏻其(qi)進行了流♍聲(shēng)耦合分析,主(zhu)要結論如下(xià):
①探頭凹坑内(nèi)存在低速區(qu)且有漩渦,聲(sheng)束範圍内各(ge)區域的平💜均(jun1)💋流速與探頭(tóu)中心區域上(shang)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(qu)域接收到的(de)聲壓🔱信号有(you)差異,流量計(ji)測到的聲🍉波(bō)傳播時間體(tǐ)現的是聲壓(ya)信🌈号統計平(ping)💃🏻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(liu)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(páng)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(fèn)段加權平均(jun1)的方式,推導(dǎo)❄️了更長的聲(shēng)道🔞長度情況(kuàng)下的探頭擾(rao)流系統偏差(cha),發現該偏差(cha)均爲負偏差(cha),其絕對值近(jin)似等于🌈探頭(tóu)縮進比，随着(zhe)聲道長度的(de)增加而降低(dī)。

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