隨著數(shù)字信號處理、超聲換能器材料和電子技術(shù)的發(fā)展,超聲流量測量技術(shù)取得長足進(jìn)展。不同原理、各種形式及適用于不同場合的超聲波流量計相繼出現(xiàn)于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。其中,時差法超聲波流量計以測量精度高、量程比寬、無任何活動部件、輸出通訊功能齊全等優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用最為廣泛的一種超聲波流量計。時差法超聲波流量計實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確預(yù)測管道中流體的流速分布(換能器的安裝效應(yīng))和解決聲波在其內(nèi)的傳輸問題(順、逆流傳播時差)。本文針對不同結(jié)構(gòu)超聲波流量計內(nèi)的水流特性,通過對比數(shù)值模擬和實(shí)流實(shí)驗(yàn)的K系數(shù)或者儀表系數(shù)選擇合適的湍流模型獲取流量計內(nèi)的穩(wěn)態(tài)背景流場,分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對超聲波流量計內(nèi)水流特性的影響。將流場結(jié)果準(zhǔn)確的映射到聲場網(wǎng)格后,采用流場和聲場耦合的方法研究不同速度分布對超聲傳播規(guī)律的影響,并依據(jù)射線追蹤法的計算結(jié)果對傳統(tǒng)的聲波沿直線傳播假設(shè)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正,利用間斷有限元法求解聲傳播方程并以圖形化的形式展現(xiàn)聲波在流量計內(nèi)的傳播過程和管壁之間的相互作用。本文開展的主要工作如下:1.在利用經(jīng)驗(yàn)公式描述圓管內(nèi)湍流速度分布的基礎(chǔ)上,采用射線追蹤法計算聲波順、逆流傳播的非線性軌跡。由于水中聲速和水流速度的...

【文章頁數(shù)】：134 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
主要符號說明
第1章 緒論
    1.1 研究背景
        1.1.1 超聲波流量計的分類
        1.1.2 時差式超聲波流量計
    1.2 影響超聲波流量計測量精度的主要因素
        1.2.1 換能器安裝效應(yīng)及流場適應(yīng)性問題
        1.2.2 流動介質(zhì)中聲波的傳輸問題
        1.2.3 超聲波信號傳播時間的檢測問題
    1.3 本文的研究目的和內(nèi)容
        1.3.1 研究目的與意義
        1.3.2 研究內(nèi)容
第2章 流場和聲場耦合方法
    2.1 超聲波及其特點(diǎn)
    2.2 間斷有限元法
        2.2.1 空間離散
        2.2.2 Runge-Kutta時間推進(jìn)格式
        2.2.3 聲傳播方程
    2.3 射線聲學(xué)
        2.3.1 射線聲學(xué)基本方程
        2.3.2 射線追蹤法
    2.4 本章小結(jié)
第3章 穩(wěn)態(tài)背景流場下超聲波流量計內(nèi)瞬態(tài)聲場分析
    3.1 有限元軟件COMSOL Multiphysics
    3.2 基于射線追蹤法的流速修正
        3.2.1 充分發(fā)展的層流和湍流
        3.2.2 非線性軌跡長度
    3.3 聲波在超聲波流量計中的傳播
        3.3.1 穩(wěn)態(tài)背景流場
        3.3.2 換能器動態(tài)特性分析
        3.3.3 聲學(xué)邊界條件
        3.3.4 網(wǎng)格尺寸和時間步長的選取
        3.3.5 正確性驗(yàn)證
        3.3.6 聲波瞬態(tài)傳播過程
        3.3.7 接收換能器端面平均聲壓對比
    3.4 超聲波流量計樣機(jī)開發(fā)
    3.5 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置
    3.6 實(shí)驗(yàn)和模擬時差對比
    3.7 本章小結(jié)
第4章 高速氣體流動對超聲傳播的影響
    4.1 射線非線性傳播軌跡
        4.1.1 射線在理想流動中傳播
        4.1.2 射線在非理想流場中的傳播
    4.2 聲波在流動介質(zhì)中的偏轉(zhuǎn)
        4.2.1 順流傳播
        4.2.2 逆流傳播
        4.2.3 聲波偏轉(zhuǎn)對聲壓幅值的影響
    4.3 本章小結(jié)
第5章 U型超聲波流量計結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化
    5.1 聲波反射裝置
        5.1.1 U型反射軌跡
        5.1.2 反射裝置附近的聲波反射
    5.2 聲-固耦合分析
        5.2.1 計算區(qū)域
        5.2.2 計算模型
        5.2.3 邊界條件
        5.2.4 模型驗(yàn)證
        5.2.5 耦合結(jié)果分析
        5.2.6 超聲波回波波形
        5.2.7 本節(jié)小結(jié)
    5.3 基表結(jié)構(gòu)優(yōu)化
        5.3.1 U型反射時差采集原理
        5.3.2 物理模型及網(wǎng)格劃分
        5.3.3 計算的正確性驗(yàn)證
        5.3.4 兩種結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施
        5.3.5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施對內(nèi)部流場的影響
        5.3.6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施對流速穩(wěn)定性的影響
        5.3.7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施對壓力損失的影響
        5.3.8 實(shí)測數(shù)據(jù)
        5.3.9 本節(jié)小結(jié)
第6章 結(jié)論及展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)
    6.3 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀博士學(xué)位期間主要成果
學(xué)位論文評閱及答辯情祝表



本文編號：3784809