基于Fluent的超声波换能器测风阵列模型改进研究
发布时间：2021-03-06 09:23
针对垂直相交型阵列易受阴影效应影响的问题,根据时差法原理,采用三组超声波换能器互成120。放置,设计了一种具有三条独立测风路径的改进型测风阵列,并建立了风速计算模型。该阵列保证至少有两组换能器正常工作的前提下,对某一条受到绕流干扰严重的测风路径进行校正。利用SpaceClaim软件建立测风阵列及风洞模型,通过Meshing软件进行网格划分,使用FLUENT软件改变模拟风洞内的风速及雷诺数等指标,仿真两种阵列在不同流态下的性能表现,得到速度分布云图以及测风路径速度曲线图,说明了改进型测风阵列能明显提升测风精度。
【文章来源】：传感技术学报. 2020,33(02)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图２阴影效应不意图??
进行流体仿真实验，??在不同的风速、风向和雷诺数下与藥直＃交型阵列??迸行绕流分析对比，验证了改进阵列模型的优越性９??１时差法原理??．．起：声彼具？．方．向性好，．参透能力１振寿优虑，在现??代电子系统中虛用广泛［８］。超声波在空气中传播??时，其速度会受到风速的影响，风速矢量会在超靑波??传播路径上产生线性叠加。根据这一特性，测量出??超声波在一定距离下顺风和逆风的传播时间，通过??传播时间姜可以推导出风速。??一般情况下》超声波換能器的外形采用圆牲：型设??计。如图１所示，在理想风洞中，收发一体的换能器??ＭＪＶ之间的距离为并且与风速笼量相平行。通过??两个换能器交替收发超声波信号，系统测得顺风传播??时间和逆风传播时间＾＾假设风速为超声波??在理想风铜中的传播速度为Ｃ，根据已知条件，可轉％；??＂??Ｌ??Ｌ??（ＭＡｆ?＿??Ｖｍｎ??￣￣＾Ｖ??Ｌ??Ｌ??＾ＮＭ?＇??Ｖｎｍ??￣￣＾Ｖ??禽方程组（ｉｙ可以得到：??Ｌ?（?１??Ｆ＝——－??上酿??风速?Ａ?—??矢量＝＝＝ｔｉ?ｕ?一??图１时差法原理图??如图２所示，风速矢眞鐘过换餌器时，由于换能??器的阻辑会做绕流运动，此时换能器Ｍ的后方凤速??会明显降低、，产生瑞流，这就是阻影效应。换能器之??间的距离，以及和风速矢量之间的夹角部会对阻影??效应的强弱产生影响。３此，如何选取一个合适的??测风阵列，能够有效的减翦两影效应所产生的负面??影晌，朞目前研究齡重處ｔ??换能器Ｍ??换能器Ｎ??风速?＞?；??矢量二二＝：：！??阴影??－效应区??图２阴影效应不意图??２超声波换能器阵列改进设计??
００?ｊｆｌｎｉ?的长，貪体，聲??将长方体的两个底面分别设定为风的入口与出口。??在完成建糢后，将模型导入ＡＮＳＹＳ?Ｍｅｓｈｉｎｇ迸行网??格划分，由于网格的质量会直接影响到计算的精确??．廣，所以在＿流体仿真中往德鬻要花費太量的埘间：来??划分网格細１?＊不同的求＿：養塑，对于网格拇豪求也??不相＿ａ８］，一般来说流体力学分析需赛高质量的网??格来避免数值发散，因此选用了适用性较强的四面??体非结构网格ａ由于网格划分步骤繁琐，需要调试??多项参数，不再繁述详细的划分过程，图４即为最终??完成的模拟风洞及换能器阵列网格。??图４网格划分情况??网格划分歲成后，为了保怔网格的精确性和可??靠牲，需要借助＿?Ｍｅｓｈ?Ｍｅｔｒｉｃ工具依賴闲格虡；量慮??量方法来检测网格划分的慮量。关于流体分析，涉??及到多个网格质量虛量，萁傘偏斜（＿ＳＷｖｗ？？．：）：基首＿??要的网格质量判据之一，其定义为：??最优单元兄寸－单元尺寸??偏斜：??最优单元尺寸??（１４）??偏斜的值域为０?￣?１，其值越小代表误差越低，网??格鹰量越好，理想状态下的偏斜为〇，实际操作中网??格虜ｉ与偏斜的关系如表］所示。??表１不同偏斜下的网格质量??偏斜的值??网格质量??０．９?？１??很差??０．７５－０．９??较差??０．５?？０．７５??一般??０．２５?？０．５??较好??０?？０．２５??优秀??模拟凤洞及换’能器阵列的网格偏斜如图５所??示，图中统计的偏斜最小值为１．５８８?７?ｘ?１〇气最大值??
【参考文献】：
期刊论文
[1]气体超声流量计回波信号的自适应阈值法研究[J]. 章涛,赵伟国,章圣意. 传感技术学报. 2018(12)
[2]基于超声波传感器的风速风向测量研究[J]. 刘华欣. 仪表技术与传感器. 2018(12)
[3]基于TDC-GP22的超声波测风仪设计[J]. 邢玉品,陈晓. 现代电子技术. 2018(21)
[4]基于CFD和BP神经网络的超声测风仪阴影效应补偿研究[J]. 张加宏,孙林峰,李敏,冒晓莉,葛益娴. 传感技术学报. 2018(08)
[5]三维超声波换能器测风阵列研究[J]. 行鸿彦,吴红军,徐伟,魏佳佳. 仪器仪表学报. 2017(12)
[6]热式风速计恒温差控制的软件实现及其性能测试（英文）[J]. 王芳,秦明. 传感技术学报. 2016(10)
[7]高精度分体式超声波温度测量仪研究[J]. 张兴红,陈鑫,蒋洪庆,何涛. 传感技术学报. 2015(09)
[8]风杯式风速传感器启动风速校准实验箱的分析与设计[J]. 行鸿彦,于祥,邹水平,赵晨. 仪器仪表学报. 2015(09)
[9]无网格法耦合RNG k-ε湍流模型在亚、跨声速翼型黏性绕流中的数值模拟[J]. 王园丁,谭俊杰,蔡晓伟,任登凤,马新建. 航空学报. 2015(05)
[10]相干多普勒测风激光雷达时域信号仿真及时频分析[J]. 白雪,郭磐,陈思颖,张寅超,陈和,步志超. 中国激光. 2015(01)
博士论文
[1]基于无线传感器网络的空间坐标测量技术研究[D]. 胡佳文.合肥工业大学 2013
硕士论文
[1]超声测风阴影效应误差修正与测试系统研究[D]. 孙林峰.南京信息工程大学 2018
本文编号：3066842
【文章来源】：传感技术学报. 2020,33(02)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图２阴影效应不意图??
进行流体仿真实验，??在不同的风速、风向和雷诺数下与藥直＃交型阵列??迸行绕流分析对比，验证了改进阵列模型的优越性９??１时差法原理??．．起：声彼具？．方．向性好，．参透能力１振寿优虑，在现??代电子系统中虛用广泛［８］。超声波在空气中传播??时，其速度会受到风速的影响，风速矢量会在超靑波??传播路径上产生线性叠加。根据这一特性，测量出??超声波在一定距离下顺风和逆风的传播时间，通过??传播时间姜可以推导出风速。??一般情况下》超声波換能器的外形采用圆牲：型设??计。如图１所示，在理想风洞中，收发一体的换能器??ＭＪＶ之间的距离为并且与风速笼量相平行。通过??两个换能器交替收发超声波信号，系统测得顺风传播??时间和逆风传播时间＾＾假设风速为超声波??在理想风铜中的传播速度为Ｃ，根据已知条件，可轉％；??＂??Ｌ??Ｌ??（ＭＡｆ?＿??Ｖｍｎ??￣￣＾Ｖ??Ｌ??Ｌ??＾ＮＭ?＇??Ｖｎｍ??￣￣＾Ｖ??禽方程组（ｉｙ可以得到：??Ｌ?（?１??Ｆ＝——－??上酿??风速?Ａ?—??矢量＝＝＝ｔｉ?ｕ?一??图１时差法原理图??如图２所示，风速矢眞鐘过换餌器时，由于换能??器的阻辑会做绕流运动，此时换能器Ｍ的后方凤速??会明显降低、，产生瑞流，这就是阻影效应。换能器之??间的距离，以及和风速矢量之间的夹角部会对阻影??效应的强弱产生影响。３此，如何选取一个合适的??测风阵列，能够有效的减翦两影效应所产生的负面??影晌，朞目前研究齡重處ｔ??换能器Ｍ??换能器Ｎ??风速?＞?；??矢量二二＝：：！??阴影??－效应区??图２阴影效应不意图??２超声波换能器阵列改进设计??
００?ｊｆｌｎｉ?的长，貪体，聲??将长方体的两个底面分别设定为风的入口与出口。??在完成建糢后，将模型导入ＡＮＳＹＳ?Ｍｅｓｈｉｎｇ迸行网??格划分，由于网格的质量会直接影响到计算的精确??．廣，所以在＿流体仿真中往德鬻要花費太量的埘间：来??划分网格細１?＊不同的求＿：養塑，对于网格拇豪求也??不相＿ａ８］，一般来说流体力学分析需赛高质量的网??格来避免数值发散，因此选用了适用性较强的四面??体非结构网格ａ由于网格划分步骤繁琐，需要调试??多项参数，不再繁述详细的划分过程，图４即为最终??完成的模拟风洞及换能器阵列网格。??图４网格划分情况??网格划分歲成后，为了保怔网格的精确性和可??靠牲，需要借助＿?Ｍｅｓｈ?Ｍｅｔｒｉｃ工具依賴闲格虡；量慮??量方法来检测网格划分的慮量。关于流体分析，涉??及到多个网格质量虛量，萁傘偏斜（＿ＳＷｖｗ？？．：）：基首＿??要的网格质量判据之一，其定义为：??最优单元兄寸－单元尺寸??偏斜：??最优单元尺寸??（１４）??偏斜的值域为０?￣?１，其值越小代表误差越低，网??格鹰量越好，理想状态下的偏斜为〇，实际操作中网??格虜ｉ与偏斜的关系如表］所示。??表１不同偏斜下的网格质量??偏斜的值??网格质量??０．９?？１??很差??０．７５－０．９??较差??０．５?？０．７５??一般??０．２５?？０．５??较好??０?？０．２５??优秀??模拟凤洞及换’能器阵列的网格偏斜如图５所??示，图中统计的偏斜最小值为１．５８８?７?ｘ?１〇气最大值??
【参考文献】：
期刊论文
[1]气体超声流量计回波信号的自适应阈值法研究[J]. 章涛,赵伟国,章圣意. 传感技术学报. 2018(12)
[2]基于超声波传感器的风速风向测量研究[J]. 刘华欣. 仪表技术与传感器. 2018(12)
[3]基于TDC-GP22的超声波测风仪设计[J]. 邢玉品,陈晓. 现代电子技术. 2018(21)
[4]基于CFD和BP神经网络的超声测风仪阴影效应补偿研究[J]. 张加宏,孙林峰,李敏,冒晓莉,葛益娴. 传感技术学报. 2018(08)
[5]三维超声波换能器测风阵列研究[J]. 行鸿彦,吴红军,徐伟,魏佳佳. 仪器仪表学报. 2017(12)
[6]热式风速计恒温差控制的软件实现及其性能测试（英文）[J]. 王芳,秦明. 传感技术学报. 2016(10)
[7]高精度分体式超声波温度测量仪研究[J]. 张兴红,陈鑫,蒋洪庆,何涛. 传感技术学报. 2015(09)
[8]风杯式风速传感器启动风速校准实验箱的分析与设计[J]. 行鸿彦,于祥,邹水平,赵晨. 仪器仪表学报. 2015(09)
[9]无网格法耦合RNG k-ε湍流模型在亚、跨声速翼型黏性绕流中的数值模拟[J]. 王园丁,谭俊杰,蔡晓伟,任登凤,马新建. 航空学报. 2015(05)
[10]相干多普勒测风激光雷达时域信号仿真及时频分析[J]. 白雪,郭磐,陈思颖,张寅超,陈和,步志超. 中国激光. 2015(01)
博士论文
[1]基于无线传感器网络的空间坐标测量技术研究[D]. 胡佳文.合肥工业大学 2013
硕士论文
[1]超声测风阴影效应误差修正与测试系统研究[D]. 孙林峰.南京信息工程大学 2018
本文编号：3066842
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