多声道超声波气体流量检测技术仿真与实验研究

发布时间：2017-07-30 11:28

  本文关键词：多声道超声波气体流量检测技术仿真与实验研究

  更多相关文章： 超声波气体流量检测技术 计算流体力学仿真 多声道超声波流量计 声道布局方案 声道积分计算方法 超声波换能器

【摘要】：传播时间式超声波流量检测技术在气体管道输送得到广泛应用。与传统气体流量检测仪表相比,超声波气体流量检测仪表具有双向性、精度高、重复性高、内部无移动部件和几乎无管道内压损等优势,成为气体输送和贸易的首选。在中国,作为国际天然气贸易的法定计量仪表,超声波气体流量计有很大的发展和应用潜力。但在具有一系列优点的同时,超声波气体流量计也存在精确度受到流体流动影响严重的问题。本文关注超声波气体流量仪表在管道内流体流动影响下的计量效果。采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真和实验相结合的方法,建立可靠的数值仿真分析模型,制作超声波多声道气体流量计样机,搭建流量实验系统,研究管道气体的流动特点和超声波流量计量效果。主要工作和研究成果如下：1.采用CFD研究气体在管道中流动的特性及流速分布对超声波流量计量的影响。建立管道气体流动模型并进行网格划分,选取可靠的控制方程进行求解；提出一种模拟超声波流量计原理的计算声波渡越时间的新方法来处理仿真数据,用于本文所有的CFD仿真分析。研究长直圆形管道内的流体在层流和湍流两种状态下的流动特性和分别使用单声道和多声道超声波气体流量计计量的效果。模拟90°单弯管、180°双弯管等阻流件下游气体流动,分析流速分布特点,研究非理想流速分布对超声波流量计量各个声道上流速测量和流量计精度的影响并分析讨论。2.制作超声波气体流量计样机,搭建超声波气体流量计量实验系统。在低速区和非低速区分别使用单声道和多声道流量计进行的流体计量实验验证仿真结果。比较过零检测法和互相关法两种检测超声波渡越时间的方案,分析各自适用的流速范围；针对高速流动气体中超声波渡越时间数据离散程度大的现象提出分流速区选取参考波形的方案；对阻流件下游的非理想流速分布流体的超声波流量计量进行研究；讨论温度压力变化对计量的影响。3.提出一种基于Levenberg-Marquardt算法用于多声道超声波气体流量计声道积分计算权系数的新方法。由于能根据不同安装情况下管道流体流速分布状况选取权系数,与传统的多声道超声波流量计声道积分权系数方案相比,该方法可有效提高多声道流量计的精度。为探讨基于LMA的积分计算方法的适应性,在90°单弯管下游和180°双弯管下游的不同位置安装Gauss-Legendre布局六声道超声波气体流量计,仿真和实验结果都证明该方法可提高多声道流量计在测量非理想流速分布管道气体流量的精度。由于阻流件下游流速的非对称分布,不同的声平面安装角度会带来不同的测量偏差,与弯管平面呈一定角度安装可避开流速分布的低速区,提高多声道流量计测量精度。
【关键词】：超声波气体流量检测技术 计算流体力学仿真 多声道超声波流量计 声道布局方案 声道积分计算方法 超声波换能器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH814.92
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-20
• 1.1 超声波气体流量检测技术研究背景13-16
• 1.2 超声波气体流量检测技术发展历史及现状16-18
• 1.3 本课题研究的内容18-20
• 第2章 超声波气体流量检测技术20-40
• 2.1 超声波气体流量计测量原理20-25
• 2.1.1 传播速度差法20-23
• 2.1.2 相关法23-24
• 2.1.3 多普勒法24-25
• 2.1.4 波束偏移法25
• 2.2 超声波气体流量检测关键技术25-35
• 2.2.1 超声波换能器26-28
• 2.2.2 超声波信号渡越时间计时技术28-30
• 2.2.3 影响超声波气体流量计测量精度的主要因素30-35
• 2.3 多声道超声波气体流量计35-39
• 2.3.1 多声道超声波气体流量计基本工作原理35-36
• 2.3.2 多声道超声波气体流量计声道布置方式和流量积分算法36-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 超声波气体流量计对管道流体计量仿真研究40-76
• 3.1 超声波气体流量计管道流体计量仿真研究方法40-46
• 3.1.1 计算流体动力学概述40-41
• 3.1.2 CFD模型选取和有效性41-43
• 3.1.3 超声波气体流量计CFD仿真建模43-46
• 3.1.4 数值模拟中超声波传播时间计算方法46
• 3.2 理想条件下管道流体计量研究46-54
• 3.2.1 充分发展的管道层流流动47-48
• 3.2.2 充分发展的管道湍流流动48-50
• 3.2.3 流量修正50
• 3.2.4 长直圆管道流体计量数值模拟结果及分析50-54
• 3.3 非理想管道流场分布条件下流体计量研究54-75
• 3.3.1 非理想管道流场分布特性54-58
• 3.3.2 90°单弯管下游流体流动特性和计量数值模拟分析58-70
• 3.3.3 180°双弯管下游流体流动特性和计量数值模拟分析70-75
• 3.4 本章小结75-76
• 第4章 超声波气体流量计样机和实验系统搭建76-86
• 4.1 超声波气体流量计样机76-80
• 4.1.1 超声波换能器选型76-78
• 4.1.2 超声波气体流量计壳体设计78
• 4.1.3 超声波渡越时间测量电路78-80
• 4.2 超声波气体流量实验系统搭建80-83
• 4.2.1 超声波气体流量实验系统方案80-81
• 4.2.2 气体输入输送部分81-82
• 4.2.3 实验管道部分82
• 4.2.4 标准流量计量部分82-83
• 4.3 苍南仪表厂气体流量计标定实验系统83-85
• 4.4 本章小结85-86
• 第5章 超声波气体流量检测实验研究及影响因素分析86-115
• 5.1 超声波气体流量检测实验研究86-97
• 5.1.1 静态时延测试86-88
• 5.1.2 零流量测试88-89
• 5.1.3 非低速区气体流量检测实验89-92
• 5.1.4 低速气体流量检测实验92-95
• 5.1.5 两种渡越时间检测方案对比95-97
• 5.2 高速气体流量检测研究97-104
• 5.2.1 高速气体渡越时间检测97-99
• 5.2.2 分流速区使用标准波形99
• 5.2.3 超声波接收波形的时变特点99-101
• 5.2.4 “Ⅰ”型对射管道101-104
• 5.3 非理想流速分布管道气体超声波流量检测计量实验104-111
• 5.3.1 90°单弯管下游超声波气体流量计量实验104-108
• 5.3.2 180°双弯管下游超声波气体流量计量实验108-111
• 5.4 温度和压力等因素对超声波流量计的影响111-114
• 5.4.1 超声波换能器静态压力实验111-112
• 5.4.2温度对超声波气体流量测量的影响112-113
• 5.4.3 其他影响超声波气体流量测量的因素113-114
• 5.5 本章小结114-115
• 第6章 多声道超声波气体流量检测精度提高方法研究115-139
• 6.1 多声道超声波气体流量计声道布置方案及积分算法115-118
• 6.2 基于LEVENBERG-MARQUARDT算法的多声道积分计算方法118-125
• 6.2.1 Levenberg-Marquardt算法原理118-120
• 6.2.2 LMA用于多声道超声波流量计权系数优化120-121
• 6.2.3 基于LMA的多声道超声波气体流量计量仿真研究121-124
• 6.2.4 基于LMA的多声道超声波气体流量计量实验研究124-125
• 6.3 基于LMA的多声道积分权系数计算方法的流场适应性研究125-132
• 6.3.1 在90°单弯管下游使用LMA多声道积分计算方法126-129
• 6.3.2 在180°双弯管下游使用LMA多声道积分计算方法129-131
• 6.3.3 基于LMA多声道积分计算方法应用于不同种类的气体和管径131-132
• 6.3.4 基于LMA多声道积分计算方法适应性分析132
• 6.4 声平面安装角度对超声波流量仪表计量的影响132-138
• 6.4.1 声平面安装角度变化研究对象选取和模型建立133-134
• 6.4.2 声平面安装角度对计量影响的数值模拟实验134-136
• 6.4.3 声平面安装角度对计量影响实验结果及分析136-138
• 6.5 本章小结138-139
• 第7章 结论与展望139-142
• 7.1 结论139-140
• 7.2 展望140-142
• 参考文献142-149
• 致谢149-151
• 作者简介151
• 1. 教育经历151
• 2. 发表论文151
• 3. 获得奖励151

，

本文编号：594038