摘要;超聲(shēng)流量計
測量(liàng)過程探頭大(da)小和結構設(she)計所中探頭(tou)對流場的🔅幹(gàn)擾是🍉流👨❤️👨量計(ji)流聲耦合仿(páng)真,定量分析(xī)了引起的執(zhi)流效應、計算(suàn)實㊙️檢量計探(tan)頭擾流的系(xi)統偏差;了聲(shēng)道速度分布(bu)、探失聲壓1系(xi)統偏差。”i并利(lì)用分段加極(jí)平均的方式(shi)，這一少靠群(qún)進更長聲道(dao)長度情況下(xia)的探共挽流(liú)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(jin)年來得🐪到🎯了(le)廣泛應用。超(chao)聲流量計是(shi)通過測量超(chao)聲波在🌍流體(tǐ)中順流和逆(ni)流的時間差(cha),計算聲道🐅上(shàng)的平♌均流速(sù),再對不同聲(shēng)道高度的平(píng)均流速進行(háng)積分,從而求(qiú)得流量"。常見(jian)的探頭安裝(zhuang)方式如圖1所(suǒ)示，在探頭附(fu)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(yan)究了不同探(tàn)頭插人深度(dù)時超㊙️聲流量(liàng)測量的偏差(cha)。爲了分析系(xi)統偏差的來(lai)源,Loland等利用PIV、LDV和(he)CFD研究了🛀🏻探頭(tóu)空腔内的局(ju)部流動結構(gòu);對探頭空腔(qiāng)内的流動也(ye)進行了細緻(zhì)的實驗研究(jiu)。兩人的研究(jiu)關注點在于(yu)流場,實際上(shang)流量計.測到(dào)的聲波信号(hào)裏體現了波(bō)♌束範圍内流(liu)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(liang)測量的偏❤️差(cha)。
爲了研究超(chāo)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(he)👌仿真,分析了(le)管🐅道探頭模(mo)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(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(shǒu)先進行流場(chǎng)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(an)照45°聲道角分(fen)布于管道兩(liǎng)側，如圖2所示(shi)。流場仿真采(cǎi)用不可壓縮(suo)流動k-&湍流💯模(mo)型來模拟管(guǎn)道中流場的(de)流動過程,并(bìng)😘用PARDISO算法進行(háng)💞穩态求解，管(guan)道平均流速(su)爲3m/s。
式中ƒ0爲振(zhèn)動頻率,A爲振(zhen)動幅值。假設(she)理想介質水(shui)域爲連續介(jiè)💚質✏️,聲波在水(shui)域中的能量(liàng)損耗爲零,利(li)用聲波在流(liu)🏃體中的連🏃🏻♂️續(xù)性方程,并通(tōng)過MUMPS算法進行(hang)瞬态求解,對(duì)聲波在水流(liu)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(shè)置爲1481m/s。分别在(zai)探頭A探頭B端(duān)添加式(1)振動(dong)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(chǎng)如圖3所示,探(tan)頭附近存在(zài)旋渦。把探頭(tóu)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(suàn)依🔞據,分🔴别提(ti)取5條連線上(shang)的流速分布(bù)🐕，比較不同區(qu)域的流速變(biàn)化，如圖4所示(shì)🧡。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(fang)向探頭面與(yu)聲道中心的(de)🥰距離;縱坐标(biao)表示聲道方(fāng)向的流速,A至(zhì)B方向流速爲(wèi)正;R區域與L區(qu)域流速🍓分布(bù)相同;Ref是指參(can)考位置即未(wei)受到探頭擾(rao)流處,壁面連(lián)線之間的區(qu)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(yīn)爲在探頭安(an)裝孔處形成(chéng)🧑🏾🤝🧑🏼了旋渦,流速(sù)在這兩個區(qū)域内變化最(zuì)♍爲劇烈,而且(qie)相對流場而(ér)言，安裝🈲孔内(nei)的旋渦方❓向(xiang)和大小并不(bú)☔相同;M區域和(he)L區域處的流(liu)場相類似,受(shou)旋渦影響較(jiào)小。
2.2聲場仿真(zhen)結果
圖5展示(shì)了探頭A發射(she)超聲波時,超(chao)聲波的傳播(bō)過程。在探🔴頭(tóu)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(yuan)信🚶♀️号相互疊(dié)加,造成了接(jiē)收面聲壓的(de)不對⭐稱,進而(ér)㊙️影響傳播時(shí)間的測量。探(tàn)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(mian)上非均勻分(fèn)布,在♍接收面(mian)上分布-一個(ge)低壓區,低壓(yā)區中♍心位于(yú)中心偏下遊(you)的位置。
圖7爲(wèi)超聲傳播過(guò)程中不同位(wèi)置聲壓振幅(fu)的分布♋情況(kuang),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(guò)該位置的聲(sheng)壓變化的振(zhèn)幅。在探頭A處(chù)的壁面反射(she)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(zai)探頭B附近低(di)壓中心💋從上(shang)遊逐漸向下(xia)遊移動。
2.3傳播(bo)時間及流速(sù)計算
由于旋(xuán)渦和璧面反(fǎn)射的影響,靠(kào)近探頭邊緣(yuan)區域的聲壓(yā)曲🙇♀️線存在一(yi)定畸變。探頭(tóu)B不同區域接(jiē)收的聲壓與(yǔ)平🙇🏻均聲壓的(de)關系如圖8所(suǒ)示。其中實線(xiàn)代表平均聲(sheng)壓,虛線代表(biao)M區域處的聲(sheng)壓變化。聲波(bō)傳播過程中(zhōng),受到不同聲(shēng)波傳播路徑(jing)和壁面反射(she)的影響,接收(shou)面不同位置(zhi),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(zhí)略高于平均(jun)⛷️聲壓曲線、過(guo)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(tong)區域聲壓變(bian)化曲線的差(chà)異,采用平均(jun)聲壓曲線來(lai)計算時間差(cha),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(shou)到的平均聲(shēng)壓變化曲線(xiàn)如圖9所示,探(tan)頭A由于流🔞體(ti)的減速作用(yòng)收到波形略(lue)晚，兩個波形(xing)的相似度較(jiao)高。利用互相(xiàng)關函數計算(suàn)時差:
式中,y1(m)和(he)y2(m)爲探頭A、探頭(tou)B接收聲壓信(xin)号;m爲數據長(zhang)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(cha)。對R(m)進行優化(huà)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(ji)流量計測量(liàng)時,通常是通(tong)過正逆向傳(chuán)播時間T1、t2去♊和(he)時差🤩△t計算流(liú)速,由于流速(sù)遠小于聲速(sù)u0<<C0,可以進一步(bù)得到:
式中,L爲(wei)聲道長度。将(jiang)△t代人到式(5)中(zhōng),可以解得聲(shēng)道方向🐉的平(píng)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(tàn)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(wei)一14.2%和-12.5%。兩者的(de)💋差異體現了(le)壁面反射對(dui)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(shàng)遊充分發展(zhan)的流場相同(tóng)，因此可🌂以用(yòng)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(shi)的探🚩頭安裝(zhuāng)方式下,聲道(dao)角度爲φ,探頭(tóu)直徑爲D。假設(she)探頭在一定(dìng)範圍❤️内影響(xiang)流場,上下遊(you)流場受影響(xiǎng)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(hé)中間的非影(ying)響速度區。
通(tōng)過流場和聲(sheng)場耦合仿真(zhēn)計算3個區域(yu)内平均投影(yǐng)速👄度,然⭕後用(yòng)加權分析的(de)方法計算凸(tu)出效應造成(chéng)的系統偏差(cha)♊,如式(7)所示。
式(shi)中,V1、V2分别爲未(wei)受到探頭擾(rao)流處上下遊(yóu)受影響速度(du)區,聲道方向(xiang)的平均流速(sù);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(xiǎng)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(gù)定值,V1、V2可以正(zhèng)确計✔️算,所以(yi)确認b的範圍(wei)🛀和V'1、V'2的值是确(que)定修正系數(shù)的關鍵。
通過(guò)對圖4分析可(kě)知,在這種安(an)裝方式下,在(zai)管道中心位(wèi)置附近😘,各方(fāng)向的流速是(shì)相近的,流速(su)差值小于1%,可(ke)👈以認⛹🏻♀️爲管🔱道(dao)中心附近爲(wèi)非影響速度(dù)區;在管道中(zhong)心兩側,不同(tóng)區域⭐的流速(su)變化情況不(bú)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(liú)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(dai)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(gèng)長聲道時的(de)探頭擾流影(yǐng)響,設定非影(yǐng)響區域的流(liú)速爲1,求得不(bú)同管道口徑(jing)下,流速的系(xì)統偏差E如表(biǎo)1所💃🏻示,其📱中聲(sheng)道角度φ=45°,探頭(tou)直徑D=14mm。
4結論
超(chāo)聲流量計探(tàn)頭局部結構(gòu)帶來的擾流(liu)效應造成了(le)其流量🐆測📞量(liàng)的系統偏差(chà),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(yǐng)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(zhǔ)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(gè)🎯區域的平均(jun)🏃流速與探頭(tou)中心區域上(shàng)的平均流速(sù)不同,再加💋上(shang)探頭附近的(de)壁面聲波反(fǎn)射,造成探頭(tóu)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(bo)傳播時間體(ti)現的是聲壓(yā)信号統計平(ping)⭕均的結果。
②對(dui)于帶有直徑(jing)14mm的斜插縮進(jin)式探頭的DN70流(liú)量計,按照探(tan)頭收⛱️到的☀️面(mian)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(tàn)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(jun)的方式,推導(dǎo)了更長的聲(shēng)道長度情況(kuang)下的探頭擾(rao)流系統偏差(chà),發現該偏差(cha)均爲負偏差(chà)🈲,其絕對♉值近(jìn)似等于探頭(tóu)縮進比，随着(zhe)聲道長度的(de)增加而降低(di)。
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