摘要;超聲(sheng)流量計 測量(liàng)過程探頭大(da)小和結構設(she)計所中探頭(tóu)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(zhí)流效應、計算(suàn)實檢量計探(tàn)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(dao)長度情🈲況下(xià)的探共挽流(liu)系統偏差。
　　超(chāo)聲流量計由(yóu)于其無壓損(sun)、易安裝、精度(dù)高等優點,近(jìn)年🔱來得到了(le)廣泛應用。超(chao)聲流量計是(shi)通過測量超(chāo)聲波在流體(ti)中順流和逆(nì)流的時間差(chà),計算聲道❗上(shàng)的平均流速(su),再對不同聲(shēng)道高度的平(ping)均流速進行(hang)積分,從而求(qiu)得流量"。常見(jian)的探頭安裝(zhuāng)🈲方式如圖1所(suǒ)示，在探頭附(fu)近容易産生(shēng)旋渦,影響了(le)時差的測☀️量(liàng)。
 
　　利用CFD方法和(he)實流.實驗研(yan)究了不同探(tan)頭插人深度(du)時超☎️聲流量(liàng)測量的偏差(cha)。爲了分析系(xi)統偏差的來(lái)源,Loland等利用PIV、LDV和(he)CFD研究了探頭(tou)空腔内的局(ju)部流動結構(gou);對探頭空腔(qiang)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(yú)流場,實際上(shang)流量計.測到(dào)🈲的聲波信号(hao)裏體現了波(bo)束範圍内流(liú)動的影響和(he)壁面反射對(duì)聲波信号的(de)幹擾，流場和(he)聲場兩者耦(ou)合作用共同(tong)造成了流量(liang)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(lǐ)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(jian)對圖1(a)中的管(guǎn)道模型進行(háng)了流聲耦合(hé)仿真,分析了(le)管👈道探頭模(mó)型中的流場(chang)細節和超聲(shēng)👣波耦合傳播(bō)方式，并通過(guo)互相關算法(fa)計✍️算時差，探(tàn)讨了探頭擾(rao)流和壁面反(fan)射作用對流(liu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量測量的影(ying)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(an)裝孔的管道(dào),長度爲300mm,直徑(jing)爲70mm，探頭安裝(zhuang)孔直徑爲14mm,按(àn)照45°聲道角分(fen)布于管🔞道兩(liang)側，如圖2所示(shì)。流場仿真采(cai)用不可壓縮(suo)流動k-&湍流模(mó)型來模拟管(guan)道中流場的(de)流動過程,并(bing)❤️用PARDISO算法進行(hang)穩态求解，管(guǎn)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(shuǐ)域爲👅連續介(jiè)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(xu)性方程,并通(tōng)過MUMPS算法進行(hang)瞬态求解,對(duì)聲波在水流(liú)中傳播🈲的方(fang)式進行仿真(zhēn)，
 
　　式中,P爲聲壓(ya);P0爲流壓力;po爲(wei)流密度;c0爲聲(sheng)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(duan)添加式(1)振動(dong)速度u,爲減少(shǎo)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(zài)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(suàn)依據,分别提(tí)取5條連線上(shang)的流速分布(bù)，比較不同區(qū)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(yǔ)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(cān)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(dù)變化，這是因(yīn)✏️爲在探頭安(ān)裝孔處形成(cheng)了旋渦,流速(sù)在這兩個區(qū)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(bu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相同;M區域和(hé)L區域處的流(liu)場相類似,受(shou)旋渦影響較(jiao)小。
 
2.2聲場仿真(zhen)結果
　　圖5展示(shi)了探頭A發射(shè)超聲波時,超(chao)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(fā)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(yā)的分☁️布情況(kuàng)如圖6所示,聲(shēng)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(ya)區中心位于(yú)中心偏下遊(yóu)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(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(she)造成了發射(shè)聲壓分布的(de)畸變,在傳輸(shū)過程中👨‍❤️‍👨逐漸(jiàn)減少🐆了它的(de)影💰響,所以探(tan)頭B所接收的(de)聲壓主要受(shòu)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(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(xuan)渦和璧面反(fan)射的影響,靠(kao)近探頭邊緣(yuán)區域的✏️聲❌壓(yā)曲線存在一(yī)定畸變。探頭(tóu)B不同區域接(jie)收的聲壓📞與(yǔ)平⛷️均聲壓的(de)關系如圖8所(suǒ)示。其中實線(xian)代表平均聲(sheng)壓,虛線代表(biao)M區域處的聲(sheng)壓變化。聲波(bo)傳播過程中(zhōng),受到不同聲(shēng)波傳播路徑(jìng)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(dian)有明🐇顯的區(qū)别。M區域處聲(sheng)壓曲線幅值(zhí)略高于平均(jun1)聲壓曲線、過(guo)零點與平均(jun)聲壓曲線接(jiē)近;U區域和D區(qu)域處聲🌈壓曲(qǔ)線過零點與(yǔ)✊平均曲線有(you)較大差異。
 
 
 
　　由(you)于探頭不同(tóng)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(hao)的穩定性。探(tàn)頭A、探頭B接收(shōu)到的平均聲(sheng)壓變化曲線(xian)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(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(he)y2(m)爲探頭A、探頭(tóu)B接收聲壓信(xìn)号;m爲數據長(zhǎng)度,由互相關(guan)理論，當互相(xiàng)關函數取得(dé)最大值的時(shi)間位☔移,對應(yīng)的是兩🔆波形(xing)之間的時差(cha)。對R(m)進行優化(huà)求解,假設在(zài)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(liang)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(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(wei)聲道長度。将(jiāng)△t代人到式(5)中(zhōng),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(shù)範圍内流速(sù)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(de)聲場和流場(chǎng)計算💰的系統(tǒng)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(duì)修正👄系數的(de)影響。
 
3推論和(he)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(wéi)内,該範圍之(zhi)外流場與上(shàng)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(jiē)中的計算結(jié)🙇🏻果向更長的(de)聲道進行✏️推(tui)論。在😍圖10所示(shi)的探頭安裝(zhuāng)方式下,聲道(dào)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(suǒ)以将流場沿(yan)聲道方向劃(huà)分成3個區域(yù),分别爲兩端(duan)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(shēng)場耦合仿真(zhen)計算3個區域(yu)内平均投影(ying)速度🌈,然後⚽用(yong)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(dù)區,聲❓道方向(xiàng)的平均流速(su);V'1、V'2分别爲探頭(tóu)擾流處,上下(xià)遊受影響速(sù)度區,聲道方(fang)向的平均流(liú)速;V爲非影響(xiang)速度區,聲道(dào)方向的平均(jun1)流速。其中幾(jǐ)何尺寸L、D、φ爲固(gù)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(que)定修正系數(shù)的關鍵。
　　通過(guò)對圖4分析可(ke)知,在這種安(an)裝方式下,在(zài)管道中心位(wèi)置附近,各方(fāng)向的流速是(shi)相近的,流速(sù)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(sù)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(tōng)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(de)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(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(sheng)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(zhun)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(zhu)要結論如下(xia):
①探頭凹坑内(nèi)存在低速區(qū)且有漩渦,聲(shēng)束範圍内各(ge)區😍域的♻️平均(jun)🔅流速與探頭(tou)中心區域上(shang)的平均流速(sù)不同,再加上(shàng)探🔞頭附🤟近的(de)壁面聲波反(fan)射,造成探頭(tou)端面不同區(qu)域接收到的(de)聲壓信号有(yǒu)💔差異,流量計(jì)測到的聲波(bo)傳播時間體(ti)現的是聲壓(yā)信号統計平(píng)🍉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(mian)平均聲壓信(xin)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(ji)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(fèn)段加權平均(jun)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(chà)均爲負偏差(chà),其絕對值近(jin)似等于探頭(tou)縮進比，随着(zhe)聲道長度的(de)增加而降低(di)。

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