基于温度互相关法微小通道内流体流速测量试验研究

摘要

“困难流体”流速测量是流体机械、清洁能源利用、石油化工等众多工业领域中的一项基础课题。然而，传统的流速测量仪器在这方面较难发挥作用，尤其是对于一些微小型设备内的“困难流体”流速测量。近年来，测试技术的快速发展为微小通道内“困难流体”的流速测量提供了新的思路。 本文首先综述了“困难流体”流速测量技术，梳理了相关流速测量技术的基本理论；采用温度互相关法，开展了微小圆管内高压水、高温高压水蒸气的流速测量试验研究，主要工作及研究成果包括： (1)搭建了一套基于温度互相关法的微小通道高温高压流体流速测试平台，设计了脉冲加热系统、温度信号采集系统以及相关流速测量系统。建立内加热和外加热两种脉冲加热系统，外加热方式实现了周期性时间可控的脉冲加热，内加热方式显示了更好地加热效果。在进行互相关延迟计算时，编写了Matlab延迟时间计算程序，避免了使用繁琐复杂的普通相关算法。本试验能够快速地进行数据采集以及延迟时间的计算，时效性强。 (2)研究了脉冲加热方式、传感器间距、采样频率等因素对温度互相关法流速测量的影响。结果表明，内加热方式加热源置于流场内部，加热效果更好，延迟时间的求取更为准确；传感器间距存在最佳值，结果显示间距过大会造成上游信号畸变加重，相关性降低，间距过小同样会引起最大相关系数的降低，从而影响延迟时间的准确获得。本次试验发现内加热方式下最佳热电偶距离为13cm，外加热方式下最佳距离为8cm；采样频率对于信号相关性的影响较弱，采样数对试验的影响较强。外加热方式下产生脉冲信号，信号的相关性与加热的通断时间有关，一般情况下采用通4s，断6s的加热方式信号相关性高，测量误差小；流体的流动状态能够影响平均流速校正因子的大小，在内加热方式下，试验中层流状态下的流体，其平均流速校正因子基本符合理论值0.5。 （3）本次试验的测量相关流速的方法不确定度为1.79%，重复测量偏差为3%以内。经过分析，外加热方式下相关流速的测量误差在20%左右，内加热方式下得到了与理论值较为符合的平均流速校正因子。

目录

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符号说明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外常用“困难流体”流速测量技术

1.2.1 超声波流速的测量技术

1.2.2 热线/热膜测速技术

1.2.3 相关流量测量技术

1.3 本课题主要研究工作

2 流速测量基本原理

2.1 相关法测量原理

2.2 相关理论的数学描述

2.2.1 自相关函数

2.2.2 互相关函数

2.2.3 延迟时间

2.2.4 相关算法

2.3 本章小结

3 试验系统设计

3.1 试验系统

3.1.1 水循环系统

3.1.2 预热系统

3.1.3 脉冲加热系统

3.2 数据采集硬件设备

3.2.1 DAQ数据采集卡

3.2.2 NI c-DAQ

3.2.3 热电偶相关参数

3.2.4 流量计标定工作

3.3 软件设备

3.3.1 虚拟仪器及Labview简介

3.3.2 Labview主要构成

3.3.3 互相关测速软件系统构成

3.3.4 软件测试

3.4 小结

4 互相关流速测量试验及误差分析

4.1 去离子水的互相关法流速测量

4.1.1 试验前准备

4.1.2 外加热方式

4.1.3 内加热方式

4.2 水蒸气的互相关法流速测量

4.3 不确定度分析及试验影响因素分析

4.3.1 不确定度分析

4.3.2 采样频率对试验的影响

4.3.3 采样数对试验的影响

4.3.4 传感器及传感器间距对试验的影响

4.3.5 平均流速校正因子对试验的影响

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录