水中杂质对超声波热量表测量精度影响规律的研究

摘要

伴随全球经济的快速发展，能源短缺和环境污染问题日益严重。推行供热计量改革是避免能源浪费，减少污染排放的重要举措。热量表是供热计量的核心部件，根据建设部《供热计量技术规程》，在测量过程中必须达到规定的精度。超声波热量表是利用超声波原理来测量流量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热能量的仪表，具有准确性好、量程大、寿命长和可靠性高等优点。然而，我国供热水质较差，水中杂质浓度高时造成超声波热量表的测量精度降低，影响使用寿命。因此，基于超声波传播原理和基表内流场特性，研究水流杂质对超声波热量表测量精度的影响规律，对提高超声波热量表计量精度和寿命具有重要的意义。
　　声波在含杂质水流中传播涉及声场、流场、固相场等多物理场的耦合，致使声波传播规律更加复杂。本文采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法对不同基表通道结构的超声波热量表中含杂质水流的流动特性进行研究。通过理论分析获得水中杂质引起的超声波衰减特性，搭建标准实验台测定超声波热量表在含杂质水流中的测量精度，从而验证采用两相流模型数值模拟计算的正确性，进而通过数值模拟计算方法获得超声波热量表基表通道内杂质分布特性和杂质对超声波传播规律的影响。全文主要工作如下:
　　第一，采用理论分析的方法对声波在含杂质水流中传播规律进行研究。从速度分布、温度变化、流动扰动、噪声及检测手段等方面给出了杂质对超声波热量表测量精度的影响因素。在此基础上，对声波在含杂质水中的衰减机理展开了分析，主要包括波的吸收、散射和扩散。结合杂质的沉积对声波反射的影响，系统分析了含杂质水流对超声波热量表检测精度的影响因素。
　　第二，对超声波热量表测量含杂质水流的误差规律进行实验研究，搭建热量表流量检定试验台，选取纯净水，供热水、不同浓度的碳酸钙浊液及黄泥浊液作为水质实验模型，对U型热量表测量不同水质时在不同流量的测量误差进行实验。研究了不同种类杂质和浓度在不同流量下对误差的影响规律，并采用示波器记录不同误差对应的超声波波形。运用声衰减理论分析不同浓度和粒径的杂质引起的能量衰减规律，指出超声波波形变化对测量结果的影响。
　　第三，对超声波热量表基表内含杂质水流流动进行数值模拟计算。采用两相流模型对超声波热量表基表内的流场特性、杂质在超声波传播路径上的分布特点及超声波反射而附近的杂质分布情况分别进行研究，流体连续相采用标准k-ε模型，固体颗粒采用离散相模型进行追踪。采用实验结果对数值模拟计算结果进行对比，验证本文所建立的两相流模型的正确性。通过数值模拟计算结果获得传播路径上的线速度和基表内中心截面的面平均速度，从而获得流量系数k，研究不同粒径杂质在不同流量对流量系数k产生的影响;通过数值模拟计算结果获得传播路径上的颗粒浓度，以及颗粒浓度随流量的变化情况，分析超声波传播路径上杂质的分布规律及杂质在不同流量情况下的沉积规律，结合超声波传播特性分析杂质对测量误差的影响。
　　最后，采用上述建立的两相流模型对Ⅴ型超声波热量表测量含杂质水流时基表流场展开研究。考虑其反射面为水平面，杂质容易沉积，在反射区域前加装涡流发生器，在反射区域上方产生较强的漩涡，起到剥离反射区域杂质，清洗反射面的效果。通过数值计算对加装涡流发生器前后杂质分布情况进行对比，获得加装涡流发生器后的流场特性和对颗粒分布的影响规律，进一步分析该措施对提高测量精度的有效性。
　　本文基于离散相模型对超声波热量表基表内含杂质水流流动进行模拟，用实验结果验证模型选用的正确性。通过对数值模拟结果的分析，获得了U型超声波热量表在含有不同杂质水流时的流动特性，分析了不同浓度不同粒径的杂质颗粒在不同流量对测量精度产生的影响，揭示了U型超声波热量表误差产生的内在机理是基表内杂质分布引起的流量系数k的改变和超声波反射路径上的杂质不均匀造成的声衰减引起的时差测量误差;对Ⅴ型超声波热量表的反射区域附近加装涡流发生器，在反射区域形成漩涡冲刷反射面。通过数值计算结果对比得出:涡流发生器对1μm以下的杂质冲刷效果明显。
　　本研究可以为提高超声波热量表的检测精度和热量表基表的优化提供理论依据，具有一定的理论意义和实际应用价值。

目录

声明

摘要

主要符号

第1章 绪论

1．1 论文选题背景

1．2 超声波热量表测量方法概述

1．2．1 时差式热量表流量测量原理

1．2．2 超声波热量表时差测量方案

1．2．3 U型超声波热量表基表结构

1．3 超声波热量表国内外研究现状

1．3．1 热量表基表内水流特性的研究进展

1．3．2 热量表时差的计量及控制系统研究现状

1．3．3 超声波的传播特性研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 超声波热量表测量误差分析

2．1 速度分布对测量的影响

2．2 温度对流量测量的影响

2．2．1 温度对雷诺数的影响

2．2．2 温度对超声波传播流速的影响

2．3 流动扰动对测量的影响

2．4 噪声对测量的影响

2．5 检测延时对测量的影响

2．6 杂质对测量误差的影响分析

2．6．1 声波的传播特性

2．6．2 超声波在含杂质水中的衰减

2．6．3 超声波波形变化对测量的影响

2．6．4 反射面上杂质沉积对测量的影响

2．6．5 杂质造成的基表内流场改变

2．7 本章小结

第3章 杂质对U型热量表流量误差影响的实验研究

3．1 热量表检定的意义和方法

3．2 水质实验模型的建立

3．3 实验系统和方法

3．3．1 实验装置

3．3．2 实验方法和步骤

3．4 不同水质测量精度检定

3．4．1 纯净水

3．4．2 供热水

3．4．3 碳酸钙和黄泥浊液

3．5 不同水质对测量误差的影响

3．5．1 不同水质对测量误差影响规律

3．5．2 测量误差原因分析

3．6 声衰减规律分析

3．7 测量误差规律的曲线拟合

3．8 本章小结

第4章 U型超声波热量表基表内含杂质水流的数值模拟

4．1 数值模拟研究方案

4．2 流体力学控制方程

4．3 湍流的数值模拟

4．4 颗粒相计算

4．4．1 颗粒受力分析

4．4．2 颗粒的沉降

4．5 基表物理模型及网格划分

4．5．1 基表物理模型

4．5．2 网格划分

4．6 U型超声波热量表基表的数值模拟

4．6．1 连续相数值模拟

4．6．2 边界条件

4．6．3 湍流参数设定和计算求解方法

4．6．4 颗粒相的数值模拟-离散相模型

4．6．5 计算初始化和求解控制参数

4．6．6 计算结果验证

4．7 U型热量表基表内流场特性的研究

4．7．1 杂质对流量系数k的影响

4．7．2 超声波反射路径上颗粒分布规律

4．7．3 超声波反射面附近的颗粒分布

4．7．4 流态对杂质沉积影响的分析

4．8 本章小结

第5章 涡流发生器对V型热量表反射面杂质沉积影响的研究

5．1 涡流发生器作用机理和应用情况

5．2 V型热量表基表流场的数值模拟

5．2．1 加装涡流发生器前后V型热量表基表建模

5．2．2 V型基表计算模型和网格处理方法

5．3 涡流发生器参数优化

5．4 涡流发生器对V型基表流场特性影响分析

5．5 本章小结

第6章 总结及展望

6．1 总结

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

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