摘要;超聲流量計測量過程探頭大小和結(jié)構(gòu)設(shè)計所中探頭對流場的干擾是流量計流聲耦合仿真,定量分析了引起的執(zhí)流效應(yīng)、計算實檢量計探頭擾流的系統(tǒng)偏差;了聲道速度分布、探失聲壓1系統(tǒng)偏差�！眎并利用分段加極平均的方式，這一少靠群進(jìn)更長聲道長度情況下的探共挽流系統(tǒng)偏差。
超聲流量計由于其無壓損、易安裝、精度高等優(yōu)點,近年來得到了廣泛應(yīng)用。超聲流量計是通過測量超聲波在流體中順流和逆流的時間差,計算聲道上的平均流速,再對不同聲道高度的平均流速進(jìn)行積分,從而求得流量"。常見的探頭安裝方式如圖1所示，在探頭附近容易產(chǎn)生旋渦,影響了時差的測量。
利用CFD方法和實流.實驗研究了不同探頭插人深度時超聲流量測量的偏差。為了分析系統(tǒng)偏差的來源,Loland等利用PIV、LDV和CFD研究了探頭空腔內(nèi)的局部流動結(jié)構(gòu);對探頭空腔內(nèi)的流動也進(jìn)行了細(xì)致的實驗研究。兩人的研究關(guān)注點在于流場,實際上流量計.測到的聲波信號里體現(xiàn)了波束范圍內(nèi)流動的影響和壁面反射對聲波信號的干擾，流場和聲場兩者耦合作用共同造成了流量測量的偏差。
為了研究超聲流量計探頭擾流影響的機(jī)理,合理修正探頭擾流影響造成的系統(tǒng)偏差,利用多物理場仿真軟件對圖1(a)中的管道模型進(jìn)行了流聲耦合仿真,分析了管道探頭模型中的流場細(xì)節(jié)和超聲波耦合傳播方式，并通過互相關(guān)算法計算時差，探討了探頭擾流和壁面反射作用對流量測量的影響。
1計算模型
仿真計算采用多物理場建模軟件COMSOL。首先進(jìn)行流場仿真,計算模型為帶有--對超聲探頭安裝孔的管道,長度為300mm,直徑為70mm，探頭安裝孔直徑為14mm,按照45°聲道角分布于管道兩側(cè)，如圖2所示。流場仿真采用不可壓縮流動k-&湍流模型來模擬管道中流場的流動過程,并用PARDISO算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，管道平均流速為3m/s。
式中ƒ0為振動頻率,A為振動幅值。假設(shè)理想介質(zhì)水域為連續(xù)介質(zhì),聲波在水域中的能量損耗為零,利用聲波在流體中的連續(xù)性方程,并通過MUMPS算法進(jìn)行瞬態(tài)求解,對聲波在水流中傳播的方式進(jìn)行仿真，
式中,P為聲壓;P0為流壓力;po為流密度;c0為聲速;V0為流速。本文中聲速C0設(shè)置為1481m/s。分別在探頭A探頭B端添加式(1)振動速度u,為減少計算量,設(shè)置了較低的振動頻率(0.2MHz)。
2仿真結(jié)果分析
2.1流場仿真結(jié)果
計算得到的探頭處流場如圖3所示,探頭附近存在旋渦。把探頭端面分別分為5個區(qū)域,以5個區(qū)域的中點M、U、D、L、R作為計算依據(jù),分別提取5條連線上的流速分布，比較不同區(qū)域的流速變化，如圖4所示。各個點與中心M的距離為3.9mm。
圖4中橫坐標(biāo)表示聲道方向探頭面與聲道中心的距離;縱坐標(biāo)表示聲道方向的流速,A至B方向流速為正;R區(qū)域與L區(qū)域流速分布相同;Ref是指參考位置即未受到探頭擾流處,壁面連線之間的區(qū)域。探頭A的D區(qū)域和探頭B的U區(qū)域流場有明顯的速度變化，這是因為在探頭安裝孔處形成了旋渦,流速在這兩個區(qū)域內(nèi)變化最為劇烈,而且相對流場而言，安裝孔內(nèi)的旋渦方向和大小并不相同;M區(qū)域和L區(qū)域處的流場相類似,受旋渦影響較小。
2.2聲場仿真結(jié)果
圖5展示了探頭A發(fā)射超聲波時,超聲波的傳播過程。在探頭A、探頭B的壁面處,超聲波發(fā)生了反射,反射信號和原信號相互疊加,造成了接收面聲壓的不對稱,進(jìn)而影響傳播時間的測量。探頭B接收聲壓的分布情況如圖6所示,聲壓在接收面上非均勻分布,在接收面上分布-一個低壓區(qū),低壓區(qū)中心位于中心偏下游的位置。
圖7為超聲傳播過程中不同位置聲壓振幅的分布情況,其中位置1~位置5已在圖5(a)中標(biāo)注,統(tǒng)計的是聲波經(jīng)過該位置的聲壓變化的振幅。在探頭A處的壁面反射造成了發(fā)射聲壓分布的畸變,在傳輸過程中逐漸減少了它的影響,所以探頭B所接收的聲壓主要受到B處壁面反射的影響,在探頭B附近低壓中心從上游逐漸向下游移動。
2.3傳播時間及流速計算
由于旋渦和璧面反射的影響,靠近探頭邊緣區(qū)域的聲壓曲線存在一定畸變。探頭B不同區(qū)域接收的聲壓與平均聲壓的關(guān)系如圖8所示。其中實線代表平均聲壓,虛線代表M區(qū)域處的聲壓變化。聲波傳播過程中,受到不同聲波傳播路徑和壁面反射的影響,接收面不同位置,接收聲壓幅值與過零點有明顯的區(qū)別。M區(qū)域處聲壓曲線幅值略高于平均聲壓曲線、過零點與平均聲壓曲線接近;U區(qū)域和D區(qū)域處聲壓曲線過零點與平均曲線有較大差異。
由于探頭不同區(qū)域聲壓變化曲線的差異,采用平均聲壓曲線來計算時間差,平均聲壓的計算結(jié)果接近聲壓中心,而且有更好的穩(wěn)定性。探頭A、探頭B接收到的平均聲壓變化曲線如圖9所示,探頭A由于流體的減速作用收到波形略晚，兩個波形的相似度較高。利用互相關(guān)函數(shù)計算時差:
式中,y1(m)和y2(m)為探頭A、探頭B接收聲壓信號;m為數(shù)據(jù)長度,由互相關(guān)理論，當(dāng)互相關(guān)函數(shù)取得最大值的時間位移,對應(yīng)的是兩波形之間的時差。對R(m)進(jìn)行優(yōu)化求解,假設(shè)在m0點處取得最大值,可以求得時差△t:
實際流量計測量時,通常是通過正逆向傳播時間T1、t2去和時差△t計算流速,由于流速遠(yuǎn)小于聲速u0<<C0,可以進(jìn)一步得到:
式中,L為聲道長度。將△t代人到式(5)中,可以解得聲道方向的平均流速V'm。聲場仿真計算中,△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求得V'm=I.928m/s。
對比管道流場計算結(jié)果,對聲束范圍內(nèi)流速取平均值,求得V'm=1.934m/s,未受到探頭擾流區(qū)的聲道方向平均流速Vm=2.247m/s,求得聲場和流場計算的系統(tǒng)偏差E分別為一14.2%和-12.5%。兩者的差異體現(xiàn)了壁面反射對修正系數(shù)的影響。
3推論和討論
超聲探頭對流場的擾動通常只發(fā)生在探頭附近--定范圍內(nèi),該范圍之外流場與上游充分發(fā)展的流場相同，因此可以用加權(quán)平均的方式將第2節(jié)中的計算結(jié)果向更長的聲道進(jìn)行推論。在圖10所示的探頭安裝方式下,聲道角度為φ,探頭直徑為D。假設(shè)探頭在一定范圍內(nèi)影響流場,上下游流場受影響的范圍為b,所以將流場沿聲道方向劃分成3個區(qū)域,分別為兩端的流場受影響速度區(qū)和中間的非影響速度區(qū)。
通過流場和聲場耦合仿真計算3個區(qū)域內(nèi)平均投影速度,然后用加權(quán)分析的方法計算凸出效應(yīng)造成的系統(tǒng)偏差,如式(7)所示。
式中,V1、V2分別為未受到探頭擾流處上下游受影響速度區(qū),聲道方向的平均流速;V'1、V'2分別為探頭擾流處,上下游受影響速度區(qū),聲道方向的平均流速;V為非影響速度區(qū),聲道方向的平均流速。其中幾何尺寸L、D、φ為固定值,V1、V2可以正確計算,所以確認(rèn)b的范圍和V'1、V'2的值是確定修正系數(shù)的關(guān)鍵。
通過對圖4分析可知,在這種安裝方式下,在管道中心位置附近,各方向的流速是相近的,流速差值小于1%,可以認(rèn)為管道中心附近為非影響速度區(qū);在管道中心兩側(cè),不同區(qū)域的流速變化情況不同,可以認(rèn)為受影響速度區(qū)的范圍b=3.535D。通過耦合仿真計算,將非影響區(qū)域的流速平均值V=2.458m/s和平均聲壓計算流速值V"m=1.928m/s帶人式(7)中,求得上下游影響區(qū)域內(nèi)的平均流速(V'1+V"2)/2為1.928m/s。再利用式(7)進(jìn)行加權(quán)計算,可以推算出更長聲道時的探頭擾流影響,設(shè)定非影響區(qū)域的流速為1,求得不同管道口徑下,流速的系統(tǒng)偏差E如表1所示,其中聲道角度φ=45°,探頭直徑D=14mm。
4結(jié)論
超聲流量計探頭局部結(jié)構(gòu)帶來的擾流效應(yīng)造成了其流量測量的系統(tǒng)偏差,這一偏差通常利用實驗室實流校準(zhǔn)來修正。為了更好地分析探頭擾流影響機(jī)理,利用多物理場仿真軟件對其進(jìn)行了流聲耦合分析,主要結(jié)論如下:
①探頭凹坑內(nèi)存在低速區(qū)且有漩渦,聲束范圍內(nèi)各區(qū)域的平均流速與探頭中心區(qū)域上的平均流速不同,再加上探頭附近的壁面聲波反射,造成探頭端面不同區(qū)域接收到的聲壓信號有差異,流量計測到的聲波傳播時間體現(xiàn)的是聲壓信號統(tǒng)計平均的結(jié)果。
②對于帶有直徑14mm的斜插縮進(jìn)式探頭的DN70流量計,按照探頭收到的面平均聲壓信號計算時差,探頭擾流造成的系統(tǒng)偏差約為-14.2%。
③在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,假設(shè)探頭擾流影響范圍只限于其附近一定范圍,利用分段加權(quán)平均的方式,推導(dǎo)了更長的聲道長度情況下的探頭擾流系統(tǒng)偏差,發(fā)現(xiàn)該偏差均為負(fù)偏差,其絕對值近似等于探頭縮進(jìn)比，隨著聲道長度的增加而降低。
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