摘要;超聲(shēng)流量計 測(cè)量過程探(tan)頭大小和(he)結構設計(jì)所中探頭(tou)對流場的(de)幹擾是流(liu)量計流聲(shēng)耦合仿真(zhen),定量分析(xī)了引起🚶的(de)執流效應(yīng)、計算實檢(jiǎn)量計探頭(tou)擾流的系(xi)統偏差;了(le)聲道🆚速度(du)分布、探失(shi)聲壓1系統(tǒng)偏差。”i并利(li)用分段加(jiā)極平均✏️的(de)方式，這一(yi)少靠群進(jìn)更長聲道(dào)長度情🍉況(kuang)下的探共(gòng)挽流系統(tǒng)偏🌈差。
　　超聲(shēng)流量計由(yóu)于其無壓(ya)損、易安裝(zhuāng)、精度高等(děng)優點,近㊙️年(nian)來得到了(le)廣泛應用(yòng)。超聲流量(liàng)計是通過(guo)測量超聲(sheng)波在流體(ti)中順流和(hé)逆流的時(shí)間差,計算(suàn)聲道上的(de)平均流速(su),再對不同(tong)聲道高度(du)的平均流(liu)速進行積(ji)分,從而求(qiu)得流量"。常(chang)見的♉探頭(tóu)安裝方式(shì)如圖💋1所示(shì)，在探頭附(fù)近容易産(chǎn)生旋渦,影(yǐng)響了時差(chà)的測❄️量。
 
　　利(li)用CFD方法和(he)實流.實驗(yan)研究了不(bú)同探頭插(chā)人深度時(shí)超♉聲流量(liang)測量的偏(piān)差。爲了分(fen)析系統偏(pian)差的來源(yuán),Loland等利用PIV、LDV和(he)CFD研😄究了探(tàn)頭空腔内(nei)的局部流(liu)動結構;對(dui)探頭空腔(qiāng)内的流動(dòng)也進行了(le)細緻的實(shí)驗研究🏃。兩(liǎng)人的研究(jiū)關注點🌈在(zai)于流場🈲,實(shí)際上流量(liàng)計.測到的(de)聲波信号(hao)🌏裏體現了(le)波😘束範圍(wei)内流🌈動的(de)影響和🈲壁(bì)面反射對(duì)聲波信号(hao)的幹擾，流(liu)場和聲場(chang)兩者耦合(hé)作用共㊙️同(tong)造成👄了流(liu)量測量的(de)偏差。
　　爲了(le)研究超聲(shēng)流量計探(tan)頭擾流影(yǐng)響的機理(lǐ),合理修正(zhèng)探🔴頭擾流(liú)影響造成(cheng)的系統偏(piān)差,利用多(duō)物理場仿(páng)真軟件對(dui)圖1(a)中的管(guǎn)道模型進(jìn)行了流聲(sheng)耦合📱仿真(zhēn),分析了管(guan)道探頭模(mo)型中的流(liu)場🏃細節和(he)超聲波耦(ǒu)合傳播方(fang)式，并㊙️通過(guo)互相關算(suàn)法計算時(shi)差，探讨了(le)探頭擾👅流(liu)和壁面反(fan)射作用對(dui)流量測量(liang)的影響。
1計(jì)算模型
　　仿(páng)真計算采(cai)用多物理(lǐ)場建模軟(ruǎn)件COMSOL。首先進(jin)行流場仿(pang)真♌,計算模(mó)型爲帶有(you)--對超聲探(tan)頭安裝孔(kong)的管道,長(zhǎng)度爲300mm,直🏃🏻‍♂️徑(jìng)爲70mm，探頭安(ān)裝孔直徑(jìng)爲14mm,按照45°聲(shēng)道角分布(bu)于管道兩(liǎng)側，如圖2所(suo)示。流場仿(páng)真采♈用不(bu)可壓縮流(liu)動k-&湍流🌏模(mó)型來模拟(ni)管道中流(liú)場的流動(dòng)過程,并🧑🏾‍🤝‍🧑🏼用(yòng)PARDISO算法進行(háng)穩态求解(jie)，管道平均(jun1)流速爲3m/s。
 
　　式(shi)中ƒ0爲振動(dòng)頻率,A爲振(zhèn)動幅值。假(jiǎ)設理想介(jiè)質水域爲(wei)連續介🥵質(zhi),聲波在水(shui)域中的能(neng)量損耗爲(wei)零,利用🏃‍♀️聲(shēng)波在流📧體(ti)中🔆的連🛀續(xù)性方程,并(bing)通過MUMPS算法(fa)進行瞬态(tài)求解,對聲(sheng)波在水流(liu)中傳播的(de)方式進行(hang)仿真，
 
　　式中(zhong),P爲聲壓;P0爲(wèi)流壓力;po爲(wèi)流密度;c0爲(wèi)聲速;V0爲流(liú)速。本文中(zhōng)聲速C0設置(zhi)爲1481m/s。分别在(zài)探頭A探頭(tóu)B端添加式(shi)(1)振動速度(du)u,爲減⚽少計(jì)算量📧,設置(zhi)了較低的(de)振動頻率(lü)(0.2MHz)。
2仿真結果(guǒ)分析
2.1流場(chǎng)仿真結果(guǒ)
　　計算得到(dao)的探頭處(chù)流場如圖(tu)3所示,探頭(tou)附近存在(zài)旋渦。把探(tan)頭🧑🏾‍🤝‍🧑🏼端面分(fèn)别分爲5個(gè)區域,以5個(ge)區域的中(zhōng)點M、U、D、L、R作🏃🏻‍♂️爲計(jì)算依據,分(fèn)别提取5條(tiao)連線上的(de)流速分布(bù)，比較不⚽同(tong)區域❄️的流(liu)速變化，如(rú)圖4所示💋。各(gè)個點與中(zhong)心M的距離(li)爲3.9mm。
　　圖4中橫(héng)坐标表示(shì)聲道方向(xiàng)探頭面與(yǔ)聲道中心(xīn)的距離;縱(zong)坐标表示(shi)聲道方向(xiàng)的流速,A至(zhì)B方向流速(sù)爲🚶‍♀️正;R區域(yù)與L區域流(liu)速分布相(xiang)同;Ref是指參(can)考位置即(ji)未💚受到探(tàn)頭擾流處(chu),壁面連線(xian)之間的區(qu)域。探頭A的(de)D區域和探(tàn)頭B的U區域(yù)流✏️場有明(ming)顯的速度(du)變化，這是(shi)因爲在探(tan)頭安裝孔(kong)處形成了(le)旋渦,流速(su)在這兩個(ge)區域内變(bian)化最爲劇(ju)烈,而且相(xiàng)對🚩流場而(ér)言，安裝孔(kong)内的旋渦(wō)方向和大(dà)小并不相(xiàng)同;M區域和(hé)L區域處的(de)流場相類(lèi)似,受旋渦(wo)影📧響較小(xiǎo)。
 
2.2聲場仿真(zhēn)結果
　　圖5展(zhan)示了探頭(tóu)A發射超聲(sheng)波時,超聲(sheng)波的傳播(bō)過程。在探(tàn)頭A、探頭B的(de)壁面處,超(chao)聲波發生(sheng)了反射,反(fǎn)射信🤞号和(he)原信👉号相(xiàng)互疊加,造(zao)成了接收(shou)面聲壓的(de)不對稱,進(jin)而影響傳(chuan)播時間的(de)測量。探頭(tou)B接收聲壓(ya)的分💃布情(qing)況如圖6所(suǒ)示,聲壓在(zài)接收面上(shang)非均📐勻分(fen)布,在接收(shou)面上分♊布(bù)-一個低壓(yā)區,低壓區(qū)中🐕心位于(yú)中心偏下(xià)遊的位置(zhi)。
　　圖7爲超聲(shēng)傳播過程(chéng)中不同位(wèi)置聲壓振(zhen)幅的分布(bu)⭐情🔅況,其中(zhōng)位置1~位置(zhì)5已在圖5(a)中(zhōng)标注,統計(jì)的是聲波(bo)經過該位(wei)置的聲壓(ya)變化的振(zhèn)幅。在探頭(tou)A處的壁面(mian)反射造👉成(chéng)了發射聲(sheng)壓分布的(de)畸變,在傳(chuán)輸過程中(zhōng)逐漸減少(shao)了它的影(yǐng)響,所以探(tàn)頭B所接收(shou)的聲壓主(zhǔ)要受到B處(chu)壁🔞面反射(she)的影響,在(zai)探頭B附近(jìn)低壓中心(xīn)😍從上遊逐(zhú)漸✨向下遊(yóu)移動。
2.3傳播(bo)時間及流(liu)速計算
　　由(yóu)于旋渦和(hé)璧面反射(she)的影響,靠(kao)近探頭邊(bian)緣區域的(de)聲壓❓曲線(xian)存在一定(dìng)畸變。探頭(tou)B不同區域(yu)接收的聲(shēng)壓與平均(jun)聲壓的關(guan)系如圖8所(suo)示。其中實(shi)線代表平(ping)均聲🔆壓,虛(xu)線代表M區(qū)域處的聲(sheng)壓變🐆化。聲(shēng)波傳播過(guo)程中,受到(dào)不同聲🥰波(bō)傳播路🌏徑(jìng)和壁面反(fǎn)射的影響(xiǎng),接收面不(bú)同位置,接(jiē)收聲壓幅(fu)值與過零(líng)點有明💔顯(xian)的區别。M區(qū)域處聲壓(ya)曲線幅值(zhí)略高于平(ping)均聲壓曲(qǔ)線、過零🔴點(dian)與平均聲(shēng)壓曲線接(jie)近;U區域和(hé)D區域處聲(shēng)壓曲線過(guò)零點與平(ping)均曲線有(you)較大差異(yi)。
 
 
 
　　由于探頭(tou)不同區域(yu)聲壓變化(huà)曲線的差(cha)異,采用平(píng)均聲壓曲(qu)線來計算(suan)時間差,平(ping)均聲壓的(de)計算結果(guo)接近聲壓(yā)中心,而且(qiě)有更好的(de)穩定性。探(tan)頭A、探頭B接(jie)收到的平(píng)均聲壓變(biàn)化曲線如(rú)🏃‍♀️圖9所示,探(tàn)頭A由于流(liú)體的減速(sù)作用收到(dao)波形略晚(wǎn)，兩個波形(xing)的相似度(du)較高。利用(yong)互相關函(han)數計算時(shí)差:
 
　　式中,y1(m)和(hé)y2(m)爲探頭A、探(tan)頭B接收聲(shēng)壓信号;m爲(wèi)數據長度(dù),由🏃‍♀️互⛹🏻‍♀️相關(guān)✌️理🏃🏻‍♂️論，當互(hu)相關函數(shu)取得最大(da)值的時間(jian)位移,對應(yīng)的是兩💋波(bō)形之間🚩的(de)時差。對R(m)進(jìn)行優化求(qiu)解,假設在(zai)m0點處取🥵得(dé)最大值,可(kě)以求得時(shi)差△t:
 
　　實際流(liu)量計測量(liang)時,通常是(shì)通過正逆(nì)向傳播時(shí)間T1、t2去和時(shí)差△t計算流(liú)速,由于流(liú)速遠小于(yú)聲速u0<<C0,可以(yi)進一步❓得(dé)到:
 
　　式中,L爲(wèi)聲道長度(dù)。将△t代人到(dào)式(5)中,可以(yǐ)解得聲道(dào)方向的平(píng)⛷️均流速V'm。聲(sheng)場仿真計(ji)算中,△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求得(dé)V'm=I.928m/s。
　　對比管道(dao)流場計算(suàn)結果,對聲(shēng)束範圍内(nèi)流速取平(ping)均值,求得(dé)V'm=1.934m/s,未受到探(tan)頭擾流區(qū)的聲道方(fang)向平均流(liu)速Vm=2.247m/s,求得聲(sheng)場和流場(chǎng)計算的系(xi)統偏差E分(fen)别爲一14.2%和(he)💘-12.5%。兩者的差(cha)異體☎️現了(le)壁面反射(shè)對修正系(xi)數的影響(xiang)。
 
3推論和讨(tao)論
　　超聲探(tan)頭對流場(chang)的擾動通(tōng)常隻發生(shēng)在探頭附(fu)近--定範圍(wéi)内,該範圍(wei)之外流場(chǎng)與上遊充(chōng)分發展的(de)流☀️場相同(tóng)，因此可以(yi)用加權平(píng)均的方式(shì)将第2節中(zhōng)的⁉️計算結(jié)果向更♉長(zhang)的聲道進(jin)行推論。在(zai)圖10所示的(de)探頭安裝(zhuāng)方式下,聲(sheng)道角度爲(wèi)φ,探頭直徑(jing)爲D。假設探(tàn)頭在一定(ding)範圍内影(yǐng)響流場,上(shang)下遊流場(chang)受影響的(de)範☎️圍爲b,所(suǒ)以将流場(chang)沿聲道方(fāng)向劃分成(cheng)3個區域🔴,分(fen)别爲兩端(duān)的流場受(shòu)影響速度(du)區和中間(jiān)的非影響(xiǎng)速度♈區。
 
　　通(tong)過流場和(he)聲場耦合(hé)仿真計算(suàn)3個區域内(nei)平均投影(yǐng)速度,然後(hou)🔞用加權分(fen)析的方法(fǎ)計算凸出(chu)效應造成(chéng)的系統偏(pian)差,如式🏃🏻(7)所(suǒ)示。
 
　　式中,V1、V2分(fen)别爲未受(shòu)到探頭擾(rao)流處上下(xià)遊受影響(xiang)速度區,聲(shēng)⚽道方向的(de)平均流速(sù);V'1、V'2分别爲探(tàn)頭擾流處(chù),上💜下遊受(shou)影響速度(du)區🍓,聲道方(fāng)向的平均(jun1)流速;V爲非(fēi)影👣響速度(dù)區,聲道方(fāng)向的平均(jun1)流速。其中(zhong)幾何尺寸(cun)L、D、φ爲💔固定值(zhi),V1、V2可以正确(que)計算,所以(yi)确♈認b的範(fàn)圍和V'1、V'2的值(zhi)是确定修(xiu)正系💯數的(de)關鍵。
　　通過(guò)對圖4分析(xī)可知,在這(zhè)種安裝方(fang)式下,在管(guan)道中🌈心位(wei)置附✊近,各(gè)方向的流(liú)速是相近(jìn)的,流速差(chà)值小于1%,可(ke)以認爲管(guǎn)道中心附(fù)近爲非影(yǐng)響速度區(qū);在管道中(zhōng)心兩側,不(bu)同區域的(de)流速變化(huà)情況不同(tóng),可以認爲(wèi)受影響速(sù)度區的範(fan)圍b=3.535D。通過耦(ou)合仿真計(jì)算,将非影(ying)響區域🔞的(de)流速平均(jun)⛷️值V=2.458m/s和平均(jun1)聲壓計算(suàn)流速值V"m=1.928m/s帶(dài)人式(7)中💯,求(qiú)得上下遊(you)影響💚區域(yù)内的平均(jun)流速(V'1+V"2)/2爲1.928m/s。再(zai)利用式(7)進(jìn)行加權計(jì)算,可以推(tui)算出更長(zhǎng)聲道時的(de)探頭擾流(liu)影響,設定(ding)非影響區(qū)域的流速(sù)爲1,求得不(bú)同管♋道口(kou)徑下,流速(sù)的系統偏(piān)差E如表1所(suo)示,其中聲(shēng)道角度φ=45°,探(tàn)頭直徑D=14mm。
 
4結(jie)論
　　超聲流(liú)量計探頭(tóu)局部結構(gòu)帶來的擾(rao)流效應造(zao)成了其流(liu)❓量測量的(de)系統偏差(chà),這一偏差(chà)通常利用(yong)實驗室實(shi)流校準♍來(lai)修正。爲了(le)更好地分(fen)析探頭擾(rao)流影響機(ji)理,利用多(duo)物理場仿(páng)真軟件對(duì)其進行了(le)流聲耦合(he)分析,主要(yao)結論如下(xià):
①探頭凹坑(keng)内存在低(di)速區且有(you)漩渦,聲束(shù)範圍内各(ge)區域的平(ping)均流速與(yu)探頭中心(xin)區域上的(de)平均流速(su)不同,再加(jiā)上探頭附(fù)近的壁面(mian)聲波反射(she),造成探頭(tou)端面不同(tóng)區域接收(shou)到的聲壓(yā)信号有差(chà)異,流量計(ji)測到的聲(shēng)波傳播時(shí)間體現的(de)是聲壓信(xin)号統計平(píng)均的結果(guo)。
②對于帶有(you)直徑14mm的斜(xié)插縮進式(shi)探頭的DN70流(liú)量計,按照(zhao)探頭🧑🏽‍🤝‍🧑🏻收到(dào)的面平均(jun)聲壓信号(hao)計算時差(chà),探頭擾流(liu)造成的系(xi)統偏差約(yue)爲-14.2%。
③在仿真(zhen)結果的基(jī)礎上,假設(shè)探頭擾流(liú)影響範圍(wei)隻限于其(qí)附🌐近一定(ding)範圍,利用(yong)分段加權(quán)平均的方(fāng)式,推導了(le)更長的聲(shēng)道長度情(qíng)況下的探(tàn)頭擾流系(xì)統偏差,發(fa)現該偏差(cha)均爲負偏(piān)差,其絕對(dui)❤️值近似等(děng)于探頭縮(suo)進比，随着(zhe)聲道長度(dù)的👣增加而(er)降低。

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