摘要;超(chao)聲流量計(ji) 測量過程(cheng)探頭大小(xiao)和結構設(she)計所中探(tan)頭對流場(chang)的💃🏻幹擾是(shi)流量計流(liu)聲耦合仿(pang)真,定量分(fen)析了引起(qi)的執🏃流效(xiao)🌈應、計算實(shi)檢量計探(tan)頭擾流的(de)系統偏差(cha);了聲道☀️速(su)度分布、探(tan)失聲壓1系(xi)統偏差。”i并(bing)利用分段(duan)加極平均(jun)的方式，這(zhe)一少靠群(qun)進更長聲(sheng)道長度情(qing)💘況下的探(tan)共📱挽流系(xi)統偏👄差。
　　超(chao)聲流量計(ji)由于其無(wu)壓損、易安(an)裝、精度高(gao)等優點,近(jin)年♈來得到(dao)了廣泛應(ying)用。超聲流(liu)量計是通(tong)過測量超(chao)聲波在流(liu)體中順💔流(liu)和逆流的(de)時間差,計(ji)算聲道上(shang)的平均流(liu)速,再對不(bu)🌈同聲道高(gao)度的平均(jun)流速進☎️行(hang)積分,從而(er)求得流量(liang)"。常見的探(tan)頭安裝方(fang)式如圖1所(suo)示，在探頭(tou)附近容易(yi)産生旋渦(wo),影響✏️了時(shi)差的測量(liang)。
 
　　利用CFD方法(fa)和實流.實(shi)驗研究了(le)不同探頭(tou)插人深度(du)時❄️超聲流(liu)量測量的(de)偏差。爲了(le)分析系統(tong)偏差的來(lai)😘源,Loland等利用(yong)PIV、LDV和CFD研究了(le)探頭空腔(qiang)内的局部(bu)流動結構(gou);對探頭空(kong)腔内的流(liu)動⭐也進行(hang)了細緻🌐的(de)實驗研究(jiu)。兩人的研(yan)究關注點(dian)在于流場(chang)🌈,實際上流(liu)量計.測到(dao)⛷️的聲波信(xin)号裏體現(xian)了波㊙️束範(fan)圍内流動(dong)的影響和(he)⛱️壁面反射(she)對聲波信(xin)号的幹擾(rao)，流場和聲(sheng)場兩👄者耦(ou)合作用共(gong)同造成了(le)流量✊測量(liang)的偏👨‍❤️‍👨差。
　　爲(wei)了研究超(chao)聲流量計(ji)探頭擾流(liu)影響的機(ji)理,合理修(xiu)正探頭擾(rao)流影響造(zao)成的系統(tong)偏差,利用(yong)多物理場(chang)仿真軟件(jian)對圖1(a)中的(de)管道模型(xing)進行了流(liu)聲耦合仿(pang)真,分析了(le)管道探頭(tou)模型中的(de)流場細節(jie)和超聲波(bo)耦合傳播(bo)方式，并通(tong)過互相關(guan)算法計👨‍❤️‍👨算(suan)時差，探讨(tao)了探頭擾(rao)流和壁面(mian)反射作用(yong)對流🛀量測(ce)量的影✨響(xiang)。
1計算模型(xing)
　　仿真計算(suan)采用多物(wu)理場建模(mo)軟件COMSOL。首先(xian)進行流場(chang)仿真,計🏒算(suan)模型爲帶(dai)有--對超聲(sheng)探頭安裝(zhuang)孔的管道(dao),長度爲300mm,直(zhi)徑爲70mm，探頭(tou)安裝孔直(zhi)徑爲14mm,按照(zhao)45°聲道角分(fen)布于管道(dao)兩側，如圖(tu)2所示。流場(chang)仿真采用(yong)不可壓縮(suo)流動k-&湍流(liu)模型來模(mo)👨‍❤️‍👨拟管道中(zhong)流場的流(liu)動過程,并(bing)用PARDISO算法進(jin)行穩态求(qiu)解，管道平(ping)均流速爲(wei)3m/s。
 
　　式中ƒ0爲振(zhen)動頻率,A爲(wei)振動幅值(zhi)。假設理想(xiang)介質水域(yu)爲連續介(jie)質,聲波在(zai)水域中的(de)能量損耗(hao)爲零,利用(yong)聲波在流(liu)㊙️體中💘的連(lian)續性方程(cheng),并通過MUMPS算(suan)法進行瞬(shun)态求解,對(dui)聲波在水(shui)流中傳播(bo)的方式進(jin)行仿真，
 
　　式(shi)中,P爲聲壓(ya);P0爲流壓力(li);po爲流密度(du);c0爲聲速;V0爲(wei)流速。本文(wen)中聲速C0設(she)‼️置爲1481m/s。分别(bie)在探頭A探(tan)頭B端添加(jia)式(1)振動速(su)度u,爲減少(shao)計算量,設(she)置♉了較低(di)的振動頻(pin)率(0.2MHz)。
2仿真結(jie)果分析
2.1流(liu)場仿真結(jie)果
　　計算得(de)到的探頭(tou)處流場如(ru)圖3所示,探(tan)頭附近存(cun)在旋渦。把(ba)探頭端面(mian)分别分爲(wei)5個區域,以(yi)5個區域的(de)中❌點M、U、D、L、R作爲(wei)計算依據(ju),分别提取(qu)5條連線上(shang)的流速分(fen)布，比較不(bu)同區域的(de)流速變化(hua)，如👣圖4所示(shi)⛹🏻‍♀️。各個點與(yu)中心M的距(ju)離爲3.9mm。
　　圖4中(zhong)橫坐标表(biao)示聲道方(fang)向探頭面(mian)與聲道中(zhong)心的距🏃🏻‍♂️離(li);縱坐㊙️标表(biao)示聲道方(fang)向的流速(su),A至B方向流(liu)速爲正;R區(qu)域與L區域(yu)流速分布(bu)相同;Ref是指(zhi)參考位置(zhi)即未受到(dao)探頭擾流(liu)處,壁面連(lian)線之🍉間的(de)區域。探頭(tou)A的D區域和(he)探頭B的U區(qu)域流場有(you)明顯的速(su)度變化，這(zhe)是因爲在(zai)探頭安裝(zhuang)孔處形成(cheng)了旋渦,流(liu)速❗在這兩(liang)個區域内(nei)變化最爲(wei)劇烈,而且(qie)相對流場(chang)而言，安裝(zhuang)✉️孔内🔞的旋(xuan)渦方向和(he)大小并不(bu)⁉️相同;M區域(yu)和L區域處(chu)的流場相(xiang)類似,受旋(xuan)渦影響較(jiao)小。
 
2.2聲場仿(pang)真結果
　　圖(tu)5展示了探(tan)頭A發射超(chao)聲波時,超(chao)聲波的傳(chuan)播過程。在(zai)探頭A、探頭(tou)B的壁面處(chu),超聲波發(fa)生了反射(she),反射信号(hao)和原信号(hao)相互疊加(jia),造💔成了接(jie)收面聲壓(ya)的不對稱(cheng),進而影響(xiang)傳播時間(jian)的測量。探(tan)頭B接收聲(sheng)壓的分布(bu)情況如圖(tu)6所示,聲🐆壓(ya)在接收面(mian)上非均勻(yun)分布,在接(jie)收面上分(fen)布-一個低(di)壓區,低壓(ya)區中心位(wei)于中心🏒偏(pian)下遊的位(wei)置。
　　圖7爲超(chao)聲傳播過(guo)程中不同(tong)位置聲壓(ya)振幅的分(fen)布情況✨,其(qi)中位㊙️置1~位(wei)置5已在圖(tu)5(a)中标注,統(tong)計的是聲(sheng)波經過該(gai)位置的聲(sheng)壓變化的(de)振幅。在探(tan)頭A處的壁(bi)面反射造(zao)成了發🙇‍♀️射(she)聲壓分布(bu)的畸變,在(zai)🏒傳輸過程(cheng)中📱逐漸減(jian)少了它的(de)影響,所以(yi)探頭B所接(jie)收的聲壓(ya)主要受到(dao)B處壁面反(fan)射的影響(xiang),在探頭B附(fu)🈚近低壓中(zhong)心從上遊(you)逐漸向✏️下(xia)遊移動。
2.3傳(chuan)播時間及(ji)流速計算(suan)
　　由于旋渦(wo)和璧面反(fan)射的影響(xiang),靠近探頭(tou)邊緣區域(yu)🍓的聲壓曲(qu)線存在一(yi)定畸變。探(tan)頭B不同區(qu)域接收的(de)聲壓與平(ping)均聲壓的(de)關系如圖(tu)8所示。其中(zhong)實線代表(biao)💔平均聲🈲壓(ya),虛線代表(biao)M區域處的(de)聲壓變🐆化(hua)。聲波傳播(bo)過程中,受(shou)🎯到不同聲(sheng)波傳播路(lu)徑和壁面(mian)反射的影(ying)響,接收面(mian)不🐅同位置(zhi),接收聲壓(ya)幅值與過(guo)零點有明(ming)顯的區别(bie)。M區🌍域處聲(sheng)壓曲線幅(fu)值略高于(yu)平均‼️聲壓(ya)曲線、過零(ling)⭐點與平均(jun)聲壓曲線(xian)接近✉️;U區域(yu)和D區域處(chu)聲壓曲線(xian)過零點與(yu)平均曲線(xian)有較大差(cha)🈲異。
 
 
 
　　由于探(tan)頭不同區(qu)域聲壓變(bian)化曲線的(de)差異,采用(yong)平☁️均聲🐪壓(ya)曲線☎️來計(ji)算時間差(cha),平均聲壓(ya)的計算結(jie)果接近聲(sheng)壓中心,而(er)且有更好(hao)的穩定性(xing)。探頭A、探頭(tou)B接收到的(de)⚽平均聲😄壓(ya)變化曲線(xian)如圖9所示(shi),探頭A由于(yu)流體的減(jian)速作用收(shou)到波形略(lue)晚，兩個波(bo)形的相似(si)度較高。利(li)用互相關(guan)函數計算(suan)時差:
 
　　式中(zhong),y1(m)和y2(m)爲探頭(tou)A、探頭B接收(shou)聲壓信号(hao);m爲數據長(zhang)度,由互相(xiang)關理論，當(dang)互相關函(han)數取得最(zui)大值的時(shi)間位移,對(dui)應的是兩(liang)波形🎯之間(jian)🏃‍♀️的時差。對(dui)R(m)進行優化(hua)求解,假設(she)在m0點處取(qu)得最大值(zhi),可以求得(de)時差△t:
 
　　實際(ji)流量計測(ce)量時,通常(chang)是通過正(zheng)逆向傳播(bo)時間T1、t2去和(he)時差△t計算(suan)流速,由于(yu)流速遠小(xiao)于聲速u0<<C0,可(ke)以進一步(bu)得到:
 
　　式中(zhong),L爲聲道長(zhang)度。将△t代人(ren)到式(5)中,可(ke)以解得聲(sheng)道方向的(de)平均流⛹🏻‍♀️速(su)V'm。聲場仿真(zhen)計算中,△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求(qiu)得V'm=I.928m/s。
　　對比管(guan)道流場計(ji)算結果,對(dui)聲束範圍(wei)内流速取(qu)平均值,求(qiu)得V'm=1.934m/s,未受到(dao)探頭擾流(liu)區的聲道(dao)方向平均(jun)流♉速Vm=2.247m/s,求得(de)聲場和流(liu)場♋計算的(de)系統偏差(cha)E分别爲一(yi)14.2%和-12.5%。兩者的(de)差異體現(xian)了壁面反(fan)射對修正(zheng)☎️系數的影(ying)響。
 
3推論和(he)讨論
　　超聲(sheng)探頭對流(liu)場的擾動(dong)通常隻發(fa)生在探頭(tou)附近--定範(fan)圍内,該範(fan)圍之外流(liu)場與上遊(you)充分發展(zhan)的流場相(xiang)同，因此可(ke)以用加權(quan)平均的方(fang)式将第2節(jie)中的計算(suan)結🔅果向更(geng)🔴長的聲🛀道(dao)進行推論(lun)。在☀️圖10所示(shi)的探頭安(an)裝方式下(xia),聲道角度(du)爲φ,探頭直(zhi)徑爲D。假設(she)探頭在一(yi)定範圍内(nei)影響流場(chang),上下遊流(liu)場受影響(xiang)的範♊圍爲(wei)b,所以将流(liu)場沿聲道(dao)方向劃分(fen)成3個區域(yu),分别爲兩(liang)端的流場(chang)受影響速(su)度區和中(zhong)間的非影(ying)響速度區(qu)。
 
　　通過流場(chang)和聲場耦(ou)合仿真計(ji)算3個區域(yu)内平均投(tou)影速度,然(ran)後用加權(quan)分析的方(fang)法計算凸(tu)出效應造(zao)成的系統(tong)偏差,如式(shi)✔️(7)所示。
 
　　式中(zhong),V1、V2分别爲未(wei)受到探頭(tou)擾流處上(shang)下遊受影(ying)響速度💞區(qu)❗,聲道🛀🏻方向(xiang)的平均流(liu)速;V'1、V'2分别爲(wei)探頭擾流(liu)處,上下遊(you)🚶‍♀️受影響速(su)度區,聲道(dao)方向的平(ping)均流速;V爲(wei)非影響速(su)度👈區,聲道(dao)方向的♈平(ping)均流速。其(qi)中幾何尺(chi)寸L、D、φ爲固定(ding)值,V1、V2可以正(zheng)确計算,所(suo)以确認b的(de)範圍🏃‍♂️和V'1、V'2的(de)值是㊙️确定(ding)修正系數(shu)的關鍵。
　　通(tong)過對圖4分(fen)析可知,在(zai)這種安裝(zhuang)方式下,在(zai)管道中心(xin)🏃‍♂️位置附近(jin),各方向的(de)流速是相(xiang)近的,流速(su)差值小于(yu)1%,可以認爲(wei)管💛道中心(xin)附近爲非(fei)影響速度(du)區;在管道(dao)中心兩側(ce),不同區域(yu)的流速變(bian)化情況不(bu)同,可以認(ren)爲受影💞響(xiang)速度區的(de)範圍b=3.535D。通過(guo)耦合仿真(zhen)計算,将👣非(fei)影響區域(yu)的流速平(ping)均值V=2.458m/s和平(ping)均聲壓計(ji)算流速值(zhi)V"m=1.928m/s帶人式(7)中(zhong),求得上下(xia)遊影響區(qu)域内的平(ping)均流速(V'1+V"2)/2爲(wei)1.928m/s。再利用🏒式(shi)(7)進行♌加權(quan)計算,可以(yi)推算出更(geng)長聲道時(shi)🐇的探頭擾(rao)流影響🌈,設(she)定非影響(xiang)區域的流(liu)速爲1,求得(de)不同管道(dao)口徑下,流(liu)速的系統(tong)偏差E如表(biao)1所示,其中(zhong)聲道角度(du)φ=45°,探頭直徑(jing)D=14mm。
 
4結論
　　超聲(sheng)流量計探(tan)頭局部結(jie)構帶來的(de)擾流效應(ying)造成了其(qi)流✔️量👈測🏃🏻量(liang)的系統偏(pian)差,這一偏(pian)差通常利(li)用實驗室(shi)實流校準(zhun)來修正。爲(wei)了更好地(di)分析探頭(tou)擾流影響(xiang)機理,利用(yong)多物理場(chang)仿真軟件(jian)對其進行(hang)了流聲耦(ou)合分析,主(zhu)要結🔞論如(ru)下:
①探頭凹(ao)坑内存在(zai)低速區且(qie)有漩渦,聲(sheng)束範圍内(nei)各區域的(de)平均流速(su)與探頭中(zhong)心區域上(shang)的平均流(liu)速不同🈲,再(zai)加上探頭(tou)附近的壁(bi)面聲波反(fan)射,造成探(tan)頭端面不(bu)🔴同區域接(jie)收到📞的聲(sheng)壓信号有(you)差異,流量(liang)計🔴測到的(de)聲波傳播(bo)時🛀🏻間體現(xian)的☎️是聲壓(ya)信号統計(ji)平均的結(jie)果。
②對于帶(dai)有直徑14mm的(de)斜插縮進(jin)式探頭的(de)DN70流量計,按(an)照探🐪頭收(shou)到的面平(ping)均聲壓信(xin)号計算時(shi)差,探頭擾(rao)流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼造成⭕的(de)系統偏✏️差(cha)約爲-14.2%。
③在仿(pang)真結果的(de)基礎上,假(jia)設探頭擾(rao)流影響範(fan)圍隻限于(yu)其附近一(yi)定範圍,利(li)用分段加(jia)權平均的(de)方式,推導(dao)了更長的(de)聲道長度(du)⭕情況下的(de)探頭擾流(liu)系統🈲偏差(cha),發現該偏(pian)差均爲負(fu)偏差,其絕(jue)對值近似(si)等于探頭(tou)縮進比，随(sui)着聲♊道長(zhang)度的增加(jia)而降🥰低。

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