基于流场和声场耦合的超声流量测量技术研究
发布时间：2023-04-07 01:25
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...
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
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
学位论文评阅及答辩情祝表
本文编号：3784809
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
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
学位论文评阅及答辩情祝表
本文编号：3784809
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