基于流场与声场耦合的超声波气体流量计测量技术相关研究
发布时间：2021-10-11 08:26
低碳经济已然成为我国经济发展新模式。天然气的推广与大量使用符合发展低碳经济的需要。各式气体流量计是天然气计量工作中的基本工具,由其测得的数据是完成能源计量的基础信息,还是进行相关贸易结算的重要基础。超声波流量计（UFM）对比其他类型的流量计量程比更大,精度较高。本文对现有DN25型UFM为原型,设计了五种不同燃气表流道结构,并基于CFD对其在不同流量下流场分布进行仿真分析。此外本文还对在有流量计背景流场下的超声波瞬态传播过程进行仿真计算,观察超声信号在有背景流场时,传播过程中声压幅值的衰减情况。本文使用流体仿真计算软件FLUENT对所设计的各个仪表流道优化方案进行了流动特性的分析计算。五种方案均由进口稳压腔、出口稳压腔和中间测量段组成。五种方案中,其中两种方案是直接在原仪表模型基础上做改进,其中一种方案增加了测量段整流片,另一种方案兼具测量段整流片和稳压腔导流片。另外三种方案都将原基表测量段改为有缩颈的结构,其中一种在直管段内增加了等距整流片,而另一种不仅增添整流片,还在此基础上增加了导流片结构。通过仿真计算可以得到不同方案在不同流量下的流场分布状态,根据计算结果发现整流片、导流片与缩...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１常见的声道布置方式??
山东大学硕士学位论文??１．３．２时差法超声波流置计的基本原理??时差法ＵＦＭ的基本工作原理如图１－２所示，管道直径为Ｄ，在管道上装有??发射换能器ａ发射超声波和接收器ｂ接收超声波，来流速度ｖ的方向如图中所??示，换能器的布置角度为０。由于受流体流动的影响，超声波顺逆流传播用时有??所不同。时差法ＵＦＭ则是通过测量声波顺流与逆流传播时间的差值，推算流体??流速，进而计算得到流体流量。??ｖ?ｂ??ｉ＞?Ｌ??０??ａ??图１－２超声波流量计原理图??可以得出超声波顺流的传播时间为：??Ｌ?Ｄ／ｓｍｄ??ｔａ＿ｈ?＝?ｈｒ?＝?ｈｒ??Ｃ－＼－ＵＬ?ＣＯＳ?６?ＣＪｒＵｌ?ｃｏｓ?６?（１１）??逆流传播时间：??Ｌ?Ｄ／?ｓｉｎ?０??ｔｈ＿ａ?＝?ｈｒ?＝?ｈｒ??Ｃ－ＵＬ?ＣＯＳ０?Ｃ－ＵＬＣＯＳ０?（１?９）??传播的时间差为：??．?Ｄ?／?ｓｉｎ?０?Ｄ／ｓｉｎ?６?２Ｄｕ，?ｃｏ＼０?＾?＾??＝?－?＋?Ｔ?ｎ￣Ｔ?＝?￣?＇?＾?（１＇３）??其中，ｗ为流体在声传播路径上的线平均流速，ｍ／ｓ?；?ｒ为超声波在气体中??传播以外的时间延迟，这其中包含换能器响应时间以及电路延迟，ｓ；?Ｄ为管道??直径，ｍ；?Ｚ为超声波传播距离，ｍ；?ｃ为声波在静止传播介质中的传播速度ｍ／ｓ。??因流量计整个量程内的ＷＬ＜＜Ｃ，故略去Ｗ，２?ＣＯＳ２沒，得到如下公式：??６??
?山东大学硕士学位论文??本研究所涉及的超声波燃气表包括进气口与出气口连通的进气腔与出气腔，??进气腔和出气腔之间的测量直管段，如图２－１所示。其中超声波测量段为２５ｘ９？？？??矩形通道结构，由于超声波在空气介质中传播衰减很快，为了减少声路长度，超??声换能器以对射式安装在测量段两侧，换能器内部陶瓷片封装部分即与流体接触??部分半径为１２〃？。为了方便描述基表结构，绘制了如图２－２所示的原基表模型??坐标系图，坐标系原点在测量直管段几何中心处。??Ｚ适气口?．ｙ??图２－１原基表模型等轴侧视图?图２－２模型坐标示意图??方案Ｉ在原基表模型的基础上将中间测量直管段改造为由渐缩段、直管段与??渐扩段组成的联通结构，其中渐缩段为ｙ方向渐缩，渐缩段与渐扩段的水平长度??均为１５ｗｍ，中部缩颈为２５ｘ５／？ｗ的矩形通道结构。模型在＿ｙ＝０截面与ｚ＝０截面剖??面图如图２－３所示。??Ｉ?Ｂ??２－３（ａ）方案Ｉ?ｙ＝０剖面图?２－３（ｂ）方案Ｉ?ｚ＝０咅ｌｊ面图??图２－３方案Ｉ基表模型示意图??１６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国天然气计量技术及展望[J]. 常宏岗,段继芹. 天然气工业. 2020(01)
[2]浅谈我国城市燃气发展现状与趋势[J]. 方召君. 大众科技. 2019(01)
[3]超声波流量计换能器系统理论分析及应用[J]. 夏金东,黄海宁,张春华. 声学技术. 2018(02)
[4]基于频谱分析法的超声波流量计流道结构优化[J]. 耿介,李冬,彭玮,杜广生. 农业工程学报. 2017(24)
[5]低碳经济与碳计量发展[J]. 黄雪莲. 计量与测试技术. 2017(11)
[6]低碳经济下能源计量与碳计量[J]. 陈宗路,桑雷. 绿色科技. 2017(20)
[7]超声波流量计的研究现状[J]. 王贤妮. 工业计量. 2015(06)
[8]Study of errors in ultrasonic heat meter measurements caused by impurities of water based on ultrasonic attenuation[J]. 石硕,刘正刚,孙建亭,张敏,杜广生,李冬. Journal of Hydrodynamics. 2015(01)
[9]中国天然气计量技术标准体系介绍[J]. 高军,陈亮,肖迪. 中国计量. 2014(01)
[10]超声流量计探头安装位置对测量影响数值仿真研究[J]. 郑丹丹,张朋勇,徐天室. 机械工程学报. 2011(12)
博士论文
[1]空气耦合超声换能器及其应用的研究[D]. 王晓彧.南京大学 2019
[2]流场脉动因素对超声波流量计测量精度影响的研究[D]. 耿介.山东大学 2018
[3]基于流场和声场耦合的超声流量测量技术研究[D]. 李冬.山东大学 2018
[4]多声道超声波气体流量检测技术仿真与实验研究[D]. 唐晓宇.浙江大学 2016
[5]求解波动方程的间断有限元方法及其波场模拟[D]. 贺茜君.清华大学 2015
[6]基于时差法气体超声波流量计的关键技术研究[D]. 王雪峰.大连理工大学 2011
[7]影响气体超声波流量计计量精度的主要因素研究[D]. 鲍敏.浙江大学 2004
硕士论文
[1]压电式超声波换能器测试方法的研究与设计[D]. 刘春龙.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于等效源的圆柱壳声辐射及波导声传播特性研究[D]. 李煜.中国舰船研究院 2017
[3]多声道超声波气体流量测量若干问题的研究[D]. 刘丹丹.浙江大学 2017
[4]压电换能器动态性能仿真研究[D]. 陈思.浙江大学 2016
[5]基于有限元法的测井压电换能器仿真及井孔和地层声场模拟[D]. 王晨.哈尔滨工业大学 2015
[6]超声波热量表基表结构参数与水流特性关系的研究[D]. 孙建亭.山东大学 2015
[7]超声台上水滴中声学流的研究[D]. 朱鹏飞.南京航空航天大学 2014
[8]超声集聚微纳米物质的压电器件结构设计和原理分析[D]. 杨步江.南京航空航天大学 2014
[9]双曲守恒律方程的两种高精度方法的比较研究[D]. 贾博.国防科学技术大学 2010
[10]超声波反射装置对超声波流量计内水流特性影响的研究[D]. 姜志成.山东大学 2010
本文编号：3430154
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１常见的声道布置方式??
山东大学硕士学位论文??１．３．２时差法超声波流置计的基本原理??时差法ＵＦＭ的基本工作原理如图１－２所示，管道直径为Ｄ，在管道上装有??发射换能器ａ发射超声波和接收器ｂ接收超声波，来流速度ｖ的方向如图中所??示，换能器的布置角度为０。由于受流体流动的影响，超声波顺逆流传播用时有??所不同。时差法ＵＦＭ则是通过测量声波顺流与逆流传播时间的差值，推算流体??流速，进而计算得到流体流量。??ｖ?ｂ??ｉ＞?Ｌ??０??ａ??图１－２超声波流量计原理图??可以得出超声波顺流的传播时间为：??Ｌ?Ｄ／ｓｍｄ??ｔａ＿ｈ?＝?ｈｒ?＝?ｈｒ??Ｃ－＼－ＵＬ?ＣＯＳ?６?ＣＪｒＵｌ?ｃｏｓ?６?（１１）??逆流传播时间：??Ｌ?Ｄ／?ｓｉｎ?０??ｔｈ＿ａ?＝?ｈｒ?＝?ｈｒ??Ｃ－ＵＬ?ＣＯＳ０?Ｃ－ＵＬＣＯＳ０?（１?９）??传播的时间差为：??．?Ｄ?／?ｓｉｎ?０?Ｄ／ｓｉｎ?６?２Ｄｕ，?ｃｏ＼０?＾?＾??＝?－?＋?Ｔ?ｎ￣Ｔ?＝?￣?＇?＾?（１＇３）??其中，ｗ为流体在声传播路径上的线平均流速，ｍ／ｓ?；?ｒ为超声波在气体中??传播以外的时间延迟，这其中包含换能器响应时间以及电路延迟，ｓ；?Ｄ为管道??直径，ｍ；?Ｚ为超声波传播距离，ｍ；?ｃ为声波在静止传播介质中的传播速度ｍ／ｓ。??因流量计整个量程内的ＷＬ＜＜Ｃ，故略去Ｗ，２?ＣＯＳ２沒，得到如下公式：??６??
?山东大学硕士学位论文??本研究所涉及的超声波燃气表包括进气口与出气口连通的进气腔与出气腔，??进气腔和出气腔之间的测量直管段，如图２－１所示。其中超声波测量段为２５ｘ９？？？??矩形通道结构，由于超声波在空气介质中传播衰减很快，为了减少声路长度，超??声换能器以对射式安装在测量段两侧，换能器内部陶瓷片封装部分即与流体接触??部分半径为１２〃？。为了方便描述基表结构，绘制了如图２－２所示的原基表模型??坐标系图，坐标系原点在测量直管段几何中心处。??Ｚ适气口?．ｙ??图２－１原基表模型等轴侧视图?图２－２模型坐标示意图??方案Ｉ在原基表模型的基础上将中间测量直管段改造为由渐缩段、直管段与??渐扩段组成的联通结构，其中渐缩段为ｙ方向渐缩，渐缩段与渐扩段的水平长度??均为１５ｗｍ，中部缩颈为２５ｘ５／？ｗ的矩形通道结构。模型在＿ｙ＝０截面与ｚ＝０截面剖??面图如图２－３所示。??Ｉ?Ｂ??２－３（ａ）方案Ｉ?ｙ＝０剖面图?２－３（ｂ）方案Ｉ?ｚ＝０咅ｌｊ面图??图２－３方案Ｉ基表模型示意图??１６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国天然气计量技术及展望[J]. 常宏岗,段继芹. 天然气工业. 2020(01)
[2]浅谈我国城市燃气发展现状与趋势[J]. 方召君. 大众科技. 2019(01)
[3]超声波流量计换能器系统理论分析及应用[J]. 夏金东,黄海宁,张春华. 声学技术. 2018(02)
[4]基于频谱分析法的超声波流量计流道结构优化[J]. 耿介,李冬,彭玮,杜广生. 农业工程学报. 2017(24)
[5]低碳经济与碳计量发展[J]. 黄雪莲. 计量与测试技术. 2017(11)
[6]低碳经济下能源计量与碳计量[J]. 陈宗路,桑雷. 绿色科技. 2017(20)
[7]超声波流量计的研究现状[J]. 王贤妮. 工业计量. 2015(06)
[8]Study of errors in ultrasonic heat meter measurements caused by impurities of water based on ultrasonic attenuation[J]. 石硕,刘正刚,孙建亭,张敏,杜广生,李冬. Journal of Hydrodynamics. 2015(01)
[9]中国天然气计量技术标准体系介绍[J]. 高军,陈亮,肖迪. 中国计量. 2014(01)
[10]超声流量计探头安装位置对测量影响数值仿真研究[J]. 郑丹丹,张朋勇,徐天室. 机械工程学报. 2011(12)
博士论文
[1]空气耦合超声换能器及其应用的研究[D]. 王晓彧.南京大学 2019
[2]流场脉动因素对超声波流量计测量精度影响的研究[D]. 耿介.山东大学 2018
[3]基于流场和声场耦合的超声流量测量技术研究[D]. 李冬.山东大学 2018
[4]多声道超声波气体流量检测技术仿真与实验研究[D]. 唐晓宇.浙江大学 2016
[5]求解波动方程的间断有限元方法及其波场模拟[D]. 贺茜君.清华大学 2015
[6]基于时差法气体超声波流量计的关键技术研究[D]. 王雪峰.大连理工大学 2011
[7]影响气体超声波流量计计量精度的主要因素研究[D]. 鲍敏.浙江大学 2004
硕士论文
[1]压电式超声波换能器测试方法的研究与设计[D]. 刘春龙.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于等效源的圆柱壳声辐射及波导声传播特性研究[D]. 李煜.中国舰船研究院 2017
[3]多声道超声波气体流量测量若干问题的研究[D]. 刘丹丹.浙江大学 2017
[4]压电换能器动态性能仿真研究[D]. 陈思.浙江大学 2016
[5]基于有限元法的测井压电换能器仿真及井孔和地层声场模拟[D]. 王晨.哈尔滨工业大学 2015
[6]超声波热量表基表结构参数与水流特性关系的研究[D]. 孙建亭.山东大学 2015
[7]超声台上水滴中声学流的研究[D]. 朱鹏飞.南京航空航天大学 2014
[8]超声集聚微纳米物质的压电器件结构设计和原理分析[D]. 杨步江.南京航空航天大学 2014
[9]双曲守恒律方程的两种高精度方法的比较研究[D]. 贾博.国防科学技术大学 2010
[10]超声波反射装置对超声波流量计内水流特性影响的研究[D]. 姜志成.山东大学 2010
本文编号：3430154
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