基于流场和声场耦合的超声流量测量技术研究

摘要

随着数字信号处理、超声换能器材料和电子技术的发展，超声流量测量技术取得长足进展。不同原理、各种形式及适用于不同场合的超声波流量计相继出现于国民经济的各个领域。其中，时差法超声波流量计以测量精度高、量程比宽、无任何活动部件、输出通讯功能齐全等优点成为应用最为广泛的一种超声波流量计。时差法超声波流量计实现的难点在于准确预测管道中流体的流速分布（换能器的安装效应）和解决声波在其内的传输问题（顺、逆流传播时差）。本文针对不同结构超声波流量计内的水流特性，通过对比数值模拟和实流实验的K系数或者仪表系数选择合适的湍流模型获取流量计内的稳态背景流场，分析不同结构参数对超声波流量计内水流特性的影响。将流场结果准确的映射到声场网格后，采用流场和声场耦合的方法研究不同速度分布对超声传播规律的影响，并依据射线追踪法的计算结果对传统的声波沿直线传播假设的数学模型进行修正，利用间断有限元法求解声传播方程并以图形化的形式展现声波在流量计内的传播过程和管壁之间的相互作用。本文开展的主要工作如下:
　　1.在利用经验公式描述圆管内湍流速度分布的基础上，采用射线追踪法计算声波顺、逆流传播的非线性轨迹。由于水中声速和水流速度的较大差异，介质流速对声波传播的轨迹和方向性影响较小，即在DN50口径超声波流量计的测量范围内仍可按直线传播假设进行计算。采用RKDG(Runge-Kutta Discontinuous Galerkin)方法（以间断有限元法进行空间离散和显式Runge-Kutta方法进行时间推进计算）对一款Z型超声波水表进行三维数值模拟，计算过程分为流场计算和声场计算两个部分。采用标准k-ε模型获得超声传播的稳态背景流场。对声学变量作线性化假设，从欧拉方程、连续性方程和状态方程中获得绝热状态下声传播方程。通过对比三个选自气动声学的计算实例，验证网格尺寸和时间步长设置的合理性。将方波脉冲激励下换能器端面振动特性随时间的变化关系进行简化处理，作为法向速度边界条件加载到发射换能器的端面上，以图形化的形式展现声波在顺流情况下的传播过程。切换发射和接收换能器的相对位置，重新计算得到声波逆流传播时相应接收换能器端面的平均声压分布。利用阈值检测技术对声压信号进行处理，从声波在流场中传播的角度获得的时差要小于实验得到的时差值。按直线传播假设对比模拟和实验的K系数，两者之间的变化趋势比较一致。该方法为模拟声波在复杂结构和流动中传播提供可能性。
　　2.超声波流量计在用于气体流量测量时，介质流速对声传播轨迹和方向性的影响不容忽视。将数值模拟得到的流场结果准确的映射到声场网格后，采用射线追踪法获得声波在理想流场中S型和考虑换能器安装效应的非理想流场中U型传播轨迹。利用最小二乘法对声波向下游偏转的距离Δd和空气流速进行曲线拟合，该结果可用于指导外夹式超声波流量计换能器的安装以获得较强的接收信号，并结合修正模型将测量误差降低至2％以下。采用间断有限法求解声传播方程，以图形化形式展现声波波束沿流动方向的偏转。这种偏转使得主轴波束不再全部作用到接收换能器上，而是主轴波束的一部分和外延球面波的组合。两者之间较大的能量差异使得声压信号的幅值减小。接收端声压幅值随空气流速的变化关系可为超声波气体流量计信号处理中阈值的设定提供一定的参考价值。
　　3.对超声波流量计中的反射装置进行有限元模拟计算，利用声-固耦合的方法将流体域内的声压和固体域中的结构变形联系起来。在流体域内求解Helmholtz方程，得到的声压作用于固体表面使得超声波反射装置受到载荷，而结构变形在固体边界的法向上产生结构化加速度。选取一款超声波流量计的反射装置并将其置于无限大空间中，通过一个球体对计算区域进行分割得到有限元计算区域，将超声波换能器简化为垂直入射计算区域的平面波。通过对硬边界、铝材料和不锈钢的模拟结果进行对比，分析三种情况下超声波传播过程中三条路径上的声压级变化，得出固体域的结构变形对超声波传播过程中声压分布产生影响;不锈钢材料宜作为反射装置的材料。
　　4.超声波流量计应用于小管径时，在基表内部加装反射装置，延长声程，提高测量精度。反射装置对超声波流量计基表内水流特性影响较大，为了优化表内水流特性，针对U型反射的特点提出两种改进措施:反射柱上部削平部分和在此基础上加装导流片。利用SST k-ω模型，对三种基表内水流特性进行数值模拟，分析三种基表内流场分布、声道流速稳定性和压力损失。结果表明，反射柱上部削平部分没有改善流场分布，而在此基础上加装导流片流场明显得到改善，同时两者均增加了声道流速稳定性和减小了压力损失，但后者效果更为显著。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 超声波流量计的分类

1．1．2 时差式超声波流量计

1．2 影响超声波流量计测量精度的主要因素

1．2．1 换能器安装效应及流场适应性问题

1．2．2 流动介质中声波的传输问题

1．2．3 超声波信号传播时间的检测问题

1．3 本文的研究目的和内容

1．3．1 研究目的与意义

1．3．2 研究内容

第2章 流场和声场耦合方法

2．1 超声波及其特点

2．2 间断有限元法

2．2．1 空间离散

2．2．2 Runge-Kutta时间推进格式

2．2．3 声传播方程

2．3 射线声学

2．3．1 射线声学基本方程

2．3．2 射线追踪法

2．4 本章小结

第3章 稳态背景流场下超声波流量计内瞬态声场分析

3．1 有限元软件COMSOL Multiphysics

3．2 基于射线追踪法的流速修正

3．2．1 充分发展的层流和湍流

3．2．2 非线性轨迹长度

3．3 声波在超声波流量计中的传播

3．3．1 稳态背景流场

3．3．2 换能器动态特性分析

3．3．3 声学边界条件

3．3．4 网格尺寸和时间步长的选取

3．3．5 正确性验证

3．3．6 声波瞬态传播过程

3．3．7 接收换能器端面平均声压对比

3．4 超声波流量计样机开发

3．5 水流量标准装置

3．6 实验和模拟时差对比

3．7 本章小结

第4章 高速气体流动对超声传播的影响

4．1 射线非线性传播轨迹

4．1．1 射线在理想流动中传播

4．1．2 射线在非理想流场中的传播

4．2 声波在流动介质中的偏转

4．2．1 顺流传播

4．2．2 逆流传播

4．2．3 声波偏转对声压幅值的影响

4．3 本章小结

第5章 U型超声波流量计结构参数优化

5．1 声波反射装置

5．1．1 U型反射轨迹

5．1．2 反射装置附近的声波反射

5．2 声-固耦合分析

5．2．1 计算区域

5．2．2 计算模型

5．2．3 边界条件

5．2．4 模型验证

5．2．5 耦合结果分析

5．2．6 超声波回波波形

5．2．7 本节小结

5．3 基表结构优化

5．3．1 U型反射时差采集原理

5．3．2 物理模型及网格划分

5．3．3 计算的正确性验证

5．3．4 两种结构改进措施

5．3．5 结构改进措施对内部流场的影响

5．3．6 结构改进措施对流速稳定性的影响

5．3．7 结构改进措施对压力损失的影响

5．3．8 实测数据

5．3．9 本节小结

第6章 结论及展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果