摘要;超(chao)聲流量(liang)計 測量(liang)過程探(tan)頭大小(xiao)和結構(gou)設計所(suo)中探頭(tou)對流場(chang)的幹擾(rao)是流量(liang)計流聲(sheng)耦合仿(pang)真,定量(liang)分析了(le)引起🚶‍♀️的(de)執流效(xiao)應、計算(suan)實💚檢量(liang)計探頭(tou)擾流的(de)系統偏(pian)差;了聲(sheng)道速度(du)分🌈布、探(tan)失聲壓(ya)1系統偏(pian)差。”i并利(li)用分段(duan)加極平(ping)均的方(fang)式，這一(yi)少靠群(qun)進更長(zhang)聲道長(zhang)度情況(kuang)下的探(tan)共挽流(liu)系統偏(pian)差。
　　超聲(sheng)流量計(ji)由于其(qi)無壓損(sun)、易安裝(zhuang)、精度高(gao)等優點(dian),近💘年來(lai)得到了(le)廣泛應(ying)用。超聲(sheng)流量計(ji)是通過(guo)測量超(chao)聲波在(zai)🔞流體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼中(zhong)順流和(he)逆流的(de)時間差(cha),計算聲(sheng)道上的(de)平均流(liu)速🔱,再對(dui)不同聲(sheng)道高度(du)的平均(jun)流速進(jin)行積分(fen),從而求(qiu)得流量(liang)"。常見的(de)探頭安(an)裝方式(shi)如圖1所(suo)示，在探(tan)頭附近(jin)容易産(chan)生旋渦(wo),影響了(le)時差的(de)測量。
 
　　利(li)用CFD方法(fa)和實流(liu).實驗研(yan)究了不(bu)同探頭(tou)插人深(shen)度⭐時超(chao)聲流💔量(liang)測量的(de)偏差。爲(wei)了分析(xi)系統偏(pian)差的來(lai)🌈源,Loland等利(li)用😄PIV、LDV和CFD研(yan)究了探(tan)頭空腔(qiang)内的局(ju)部流動(dong)結構;對(dui)探頭空(kong)腔内的(de)流動👨‍❤️‍👨也(ye)進行了(le)細緻的(de)實驗研(yan)究🔆。兩人(ren)的研究(jiu)關注點(dian)在于流(liu)場,實際(ji)上流✔️量(liang)計.測到(dao)🙇🏻的聲波(bo)信号裏(li)體現了(le)波束範(fan)圍内流(liu)🌂動的影(ying)響和壁(bi)面反射(she)對聲波(bo)信号的(de)幹擾，流(liu)場和聲(sheng)場兩者(zhe)耦合作(zuo)用共同(tong)造成🐉了(le)流量✍️測(ce)量的偏(pian)差。
　　爲了(le)研究超(chao)聲流量(liang)計探頭(tou)擾流影(ying)響的機(ji)理,合理(li)修🏃‍♀️正探(tan)頭擾流(liu)影響造(zao)成的系(xi)統偏差(cha),利用多(duo)物理場(chang)仿真軟(ruan)件對圖(tu)1(a)中的管(guan)道模型(xing)進行了(le)流聲耦(ou)合✔️仿真(zhen),分析了(le)管道探(tan)頭模型(xing)中的流(liu)場細節(jie)和超聲(sheng)波耦合(he)傳播方(fang)式，并通(tong)過互相(xiang)關算法(fa)計算時(shi)差，探讨(tao)了探頭(tou)擾流和(he)壁面反(fan)射作用(yong)對流量(liang)測量的(de)影💚響。
1計(ji)算模型(xing)
　　仿真計(ji)算采用(yong)多物理(li)場建模(mo)軟件COMSOL。首(shou)先進行(hang)流場仿(pang)真,計算(suan)模型爲(wei)帶有--對(dui)超聲探(tan)頭安裝(zhuang)孔的管(guan)道📐,長度(du)爲300mm,直徑(jing)爲✔️70mm，探頭(tou)安裝孔(kong)直徑爲(wei)14mm,按照45°聲(sheng)道角分(fen)布于管(guan)道兩側(ce)💋，如圖2所(suo)示。流場(chang)仿真采(cai)用不可(ke)壓縮流(liu)動k-&湍流(liu)模型來(lai)模拟管(guan)道中流(liu)場的流(liu)🌐動過程(cheng),并用PARDISO算(suan)法進行(hang)穩态求(qiu)解，管道(dao)平均流(liu)速爲3m/s。
 
　　式(shi)中ƒ0爲振(zhen)動頻率(lü),A爲振動(dong)幅值。假(jia)設理想(xiang)介質水(shui)域爲❓連(lian)續介質(zhi),聲波在(zai)水域中(zhong)的能量(liang)損耗爲(wei)零,利用(yong)聲波在(zai)流💃🏻體中(zhong)的連續(xu)性方程(cheng),并通過(guo)MUMPS算法進(jin)行瞬✨态(tai)求解💜,對(dui)聲波在(zai)水流🤞中(zhong)傳播❗的(de)方式進(jin)行仿真(zhen)，
 
　　式中,P爲(wei)聲壓;P0爲(wei)流壓力(li);po爲流密(mi)度;c0爲聲(sheng)速;V0爲流(liu)速。本文(wen)中🐪聲🐪速(su)C0設置爲(wei)1481m/s。分别在(zai)探頭A探(tan)頭B端添(tian)加式(1)振(zhen)動速度(du)u,爲減少(shao)計算量(liang),設置了(le)較低的(de)振動頻(pin)率(0.2MHz)。
2仿真(zhen)結果分(fen)析
2.1流場(chang)仿真結(jie)果
　　計算(suan)得到的(de)探頭處(chu)流場如(ru)圖3所示(shi),探頭附(fu)近存在(zai)旋渦。把(ba)探頭端(duan)面分别(bie)分爲5個(ge)區域,以(yi)5個區域(yu)的中點(dian)M、U、D、L、R作爲計(ji)算依據(ju),分📱别提(ti)取5條連(lian)線上的(de)流速分(fen)布，比較(jiao)不同區(qu)域📱的流(liu)速變化(hua)，如🥰圖4所(suo)示❤️。各個(ge)點與中(zhong)🈲心M的距(ju)離爲3.9mm。
　　圖(tu)4中橫坐(zuo)标表示(shi)聲道方(fang)向探頭(tou)面與聲(sheng)道中心(xin)的距離(li)🍉;縱坐🏃标(biao)表示聲(sheng)道方向(xiang)的流速(su),A至B方向(xiang)流速爲(wei)⛹🏻‍♀️正;R區域(yu)與L區域(yu)流速分(fen)布相同(tong);Ref是指參(can)考位置(zhi)即未受(shou)到探頭(tou)擾流處(chu),壁面連(lian)線之間(jian)的區域(yu)。探頭A的(de)D區域和(he)探頭㊙️B的(de)U區域流(liu)場有明(ming)顯的速(su)度變化(hua)，這是因(yin)🔆爲在探(tan)頭安裝(zhuang)孔處形(xing)成了旋(xuan)渦,流速(su)在這兩(liang)個區域(yu)内變化(hua)最爲劇(ju)烈,而且(qie)相對流(liu)場而言(yan)，安裝孔(kong)内的旋(xuan)渦方向(xiang)和大小(xiao)并不相(xiang)同;M區域(yu)和L區域(yu)處的流(liu)場相類(lei)似,受旋(xuan)渦影♊響(xiang)較小。
 
2.2聲(sheng)場仿真(zhen)結果
　　圖(tu)5展示了(le)探頭A發(fa)射超聲(sheng)波時,超(chao)聲波的(de)傳播過(guo)程。在探(tan)頭A、探🤞頭(tou)B的壁面(mian)處,超聲(sheng)波發生(sheng)了反射(she),反射信(xin)号和原(yuan)信♉号相(xiang)互疊加(jia),造成了(le)接收面(mian)聲壓的(de)不對稱(cheng),進而影(ying)響傳播(bo)時間的(de)測量。探(tan)頭B接🤞收(shou)聲壓的(de)分布情(qing)況如圖(tu)6所示,聲(sheng)壓在接(jie)收面上(shang)非均勻(yun)分布,在(zai)✌️接收面(mian)上分布(bu)-一個低(di)壓區,低(di)壓區中(zhong)⚽心位于(yu)中心偏(pian)下遊的(de)位置。
　　圖(tu)7爲超聲(sheng)傳播過(guo)程中不(bu)同位置(zhi)聲壓振(zhen)幅的分(fen)布🤟情況(kuang),其中位(wei)置1~位置(zhi)5已在圖(tu)5(a)中标注(zhu),統計的(de)是聲波(bo)經過該(gai)位置的(de)聲壓變(bian)化的振(zhen)幅。在探(tan)頭A處的(de)壁面🌈反(fan)射造成(cheng)了發💞射(she)聲壓分(fen)布的畸(ji)變,在傳(chuan)輸過程(cheng)中逐漸(jian)減少了(le)它的影(ying)響,所以(yi)探😍頭B所(suo)接收♌的(de)聲壓主(zhu)要受到(dao)B處壁🈚面(mian)反射的(de)影🈚響,在(zai)探頭B附(fu)近低壓(ya)中心從(cong)上遊逐(zhu)漸‼️向下(xia)遊移動(dong)。
2.3傳播時(shi)間及流(liu)速計算(suan)
　　由于旋(xuan)渦和璧(bi)面反射(she)的影響(xiang),靠近探(tan)頭邊緣(yuan)區域的(de)聲壓曲(qu)線存在(zai)一定畸(ji)變。探頭(tou)B不同區(qu)域接收(shou)的聲壓(ya)與平均(jun)聲壓的(de)關系如(ru)圖8所示(shi)。其中實(shi)線代表(biao)平均聲(sheng)壓,虛線(xian)🌍代表M區(qu)域處的(de)聲壓變(bian)化。聲波(bo)傳播過(guo)程中,受(shou)到不同(tong)聲波傳(chuan)播路徑(jing)和壁面(mian)反射的(de)影響,接(jie)收面不(bu)同位置(zhi),接收✌️聲(sheng)壓幅值(zhi)與過零(ling)點有明(ming)💛顯的區(qu)别。M區域(yu)處聲壓(ya)曲線幅(fu)值略高(gao)于平均(jun)聲壓曲(qu)線、過零(ling)☀️點與平(ping)均聲壓(ya)曲線接(jie)近;U區域(yu)和D區域(yu)處聲💘壓(ya)曲線過(guo)零點與(yu)平均曲(qu)線有較(jiao)大差異(yi)。
 
 
 
　　由于探(tan)頭不同(tong)區域聲(sheng)壓變化(hua)曲線的(de)差異,采(cai)用平均(jun)聲壓曲(qu)♍線來計(ji)算時間(jian)差,平均(jun)聲壓的(de)計算結(jie)果接近(jin)聲壓中(zhong)心,而且(qie)有更👄好(hao)的穩定(ding)性。探頭(tou)A、探頭B接(jie)收到的(de)平均聲(sheng)♌壓變化(hua)曲線如(ru)圖9所示(shi),探頭A由(you)于流體(ti)的減速(su)♈作用收(shou)到波形(xing)略晚，兩(liang)個波形(xing)的相似(si)度較高(gao)。利用互(hu)相關函(han)數計🌏算(suan)時差:
 
　　式(shi)中,y1(m)和y2(m)爲(wei)探頭A、探(tan)頭B接收(shou)聲壓信(xin)号;m爲數(shu)據長度(du),由互♈相(xiang)關理論(lun)，當互相(xiang)關函數(shu)取得最(zui)大值的(de)時間位(wei)移,對應(ying)的是兩(liang)波形之(zhi)間的時(shi)差。對R(m)進(jin)行優化(hua)求解,假(jia)設在m0點(dian)處取得(de)最大值(zhi),可以求(qiu)得時差(cha)△t:
 
　　實際流(liu)量計測(ce)量時,通(tong)常是通(tong)過正逆(ni)向傳播(bo)時間T1、t2去(qu)和♍時❄️差(cha)💰△t計算流(liu)速,由于(yu)流速遠(yuan)小于聲(sheng)速u0<<C0,可以(yi)進一步(bu)得到:
 
　　式(shi)中,L爲聲(sheng)道長度(du)。将△t代人(ren)到式(5)中(zhong),可以解(jie)得聲道(dao)方向的(de)📧平🌈均流(liu)速V'm。聲場(chang)仿真計(ji)算中,△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求(qiu)得V'm=I.928m/s。
　　對比(bi)管道流(liu)場計算(suan)結果,對(dui)聲束範(fan)圍内流(liu)速取平(ping)均值,求(qiu)得V'm=1.934m/s,未受(shou)到探頭(tou)擾流區(qu)的聲道(dao)方向平(ping)均流速(su)Vm=2.247m/s,求得聲(sheng)場和流(liu)場計算(suan)的系統(tong)偏差E分(fen)别爲一(yi)14.2%和-12.5%。兩者(zhe)的差異(yi)體現了(le)壁面反(fan)射對修(xiu)正系數(shu)的影響(xiang)。
 
3推論和(he)讨論
　　超(chao)聲探頭(tou)對流場(chang)的擾動(dong)通常隻(zhi)發生在(zai)探頭附(fu)近--定範(fan)圍内,該(gai)範圍之(zhi)外流場(chang)與上遊(you)充分發(fa)展的流(liu)場相🐆同(tong)，因🍓此可(ke)以用加(jia)權平均(jun)的方式(shi)将第2節(jie)中的🤩計(ji)算結果(guo)向更長(zhang)的聲道(dao)進行推(tui)論。在圖(tu)10所示的(de)探🤩頭安(an)裝方⛱️式(shi)下,聲道(dao)角度爲(wei)φ,探✌️頭直(zhi)徑爲D。假(jia)設探頭(tou)在一定(ding)範圍内(nei)影響流(liu)場,上下(xia)遊流場(chang)受影響(xiang)的範圍(wei)爲b,所以(yi)将流場(chang)沿聲道(dao)方向劃(hua)分成3個(ge)區域,分(fen)别爲兩(liang)端的流(liu)場受影(ying)響速度(du)區和中(zhong)間的非(fei)影響速(su)度🌈區。
 
　　通(tong)過流場(chang)和聲場(chang)耦合仿(pang)真計算(suan)3個區域(yu)内平均(jun)投影速(su)🈲度,然後(hou)用加權(quan)分析的(de)方法計(ji)算凸出(chu)效應造(zao)成的系(xi)統偏差(cha),如式(7)所(suo)示。
 
　　式中(zhong),V1、V2分别爲(wei)未受到(dao)探頭擾(rao)流處上(shang)下遊受(shou)影響速(su)度區,聲(sheng)道方向(xiang)的平均(jun)流速;V'1、V'2分(fen)别爲探(tan)頭擾流(liu)處,上🤟下(xia)遊受影(ying)響速度(du)區,聲道(dao)方向的(de)平均流(liu)速;V爲非(fei)影響速(su)度區,聲(sheng)道方向(xiang)的平均(jun)流速。其(qi)中幾何(he)尺寸L、D、φ爲(wei)✔️固定值(zhi),V1、V2可以正(zheng)确計算(suan),所以确(que)💛認b的範(fan)圍和V'1、V'2的(de)值是♈确(que)定修正(zheng)系❗數的(de)關鍵。
　　通(tong)過對圖(tu)4分析可(ke)知,在這(zhe)種安裝(zhuang)方式下(xia),在管道(dao)中心🤩位(wei)置附近(jin),各方向(xiang)的流速(su)是相近(jin)的,流速(su)差值小(xiao)于1%,可以(yi)認爲管(guan)道中㊙️心(xin)附✏️近爲(wei)非影響(xiang)速度區(qu);在管道(dao)中心兩(liang)側,不❤️同(tong)區域🐆的(de)流速變(bian)化情況(kuang)不同,可(ke)以🈚認爲(wei)受影響(xiang)速度區(qu)的範圍(wei)b=3.535D。通過耦(ou)合仿真(zhen)計算,将(jiang)非影響(xiang)區域的(de)流速平(ping)均值V=2.458m/s和(he)平均聲(sheng)☔壓計算(suan)流速👉值(zhi)V"m=1.928m/s帶人式(shi)(7)中,求❄️得(de)上下遊(you)影響區(qu)域内的(de)平均流(liu)速(V'1+V"2)/2爲1.928m/s。再(zai)利用式(shi)(7)進行加(jia)權計算(suan),可以推(tui)算出更(geng)長聲道(dao)🌂時的探(tan)頭擾流(liu)影響🧡,設(she)定非影(ying)響區域(yu)的流速(su)爲1,求得(de)不同管(guan)道口徑(jing)下,流🈲速(su)的系統(tong)偏差E如(ru)表1所示(shi),其中聲(sheng)道角度(du)φ=45°,探頭直(zhi)徑D=14mm。
 
4結論(lun)
　　超聲流(liu)量計探(tan)頭局部(bu)結構帶(dai)來的擾(rao)流效應(ying)造成了(le)✊其流量(liang)測☎️量的(de)系統偏(pian)差,這一(yi)偏差通(tong)常利用(yong)實驗室(shi)🏒實流校(xiao)準來修(xiu)正。爲了(le)更好地(di)分析探(tan)頭擾流(liu)影響機(ji)🏃‍♂️理,利用(yong)多物理(li)場仿真(zhen)軟件對(dui)其進行(hang)了流聲(sheng)耦合分(fen)析,主要(yao)結論如(ru)下:
①探頭(tou)凹坑内(nei)存在低(di)速區且(qie)有漩渦(wo),聲束範(fan)圍内各(ge)區域的(de)🐇平🧑🏽‍🤝‍🧑🏻均㊙️流(liu)速與探(tan)頭中心(xin)區域上(shang)的平均(jun)流速不(bu)同,再加(jia)上探頭(tou)附近的(de)🐕壁面聲(sheng)波反射(she),造成探(tan)頭端面(mian)不同區(qu)域接收(shou)到的聲(sheng)壓🤞信号(hao)有差異(yi),流量計(ji)測到的(de)聲波傳(chuan)播時間(jian)體現的(de)是聲壓(ya)信号統(tong)計平🥵均(jun)的結果(guo)。
②對于帶(dai)有直徑(jing)14mm的斜插(cha)縮進式(shi)探頭的(de)DN70流量計(ji),按照探(tan)頭收到(dao)的💔面平(ping)均聲壓(ya)信号計(ji)算時差(cha),探頭擾(rao)流💋造成(cheng)🌍的系統(tong)偏差約(yue)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲-14.2%。
③在仿(pang)真結果(guo)的基礎(chu)上,假設(she)探頭擾(rao)流影響(xiang)範圍隻(zhi)限于其(qi)附💚近一(yi)定範圍(wei),利用分(fen)段加權(quan)平均的(de)方式,推(tui)導了更(geng)長的❌聲(sheng)道長度(du)情況下(xia)的探頭(tou)擾流系(xi)統偏差(cha),發✂️現該(gai)偏差均(jun)爲負偏(pian)差,其絕(jue)對值近(jin)似等于(yu)探頭縮(suo)進比，随(sui)着聲道(dao)長度的(de)增加而(er)降低。

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