1.流場仿真結果
計算得到的超聲波流量計探頭處流場如圖3所示,探頭附近存在旋渦。把探頭端面分別分為5個區域,以5個區域的中點M、U、D、L、R作為計算依據,分別提取5條連線上的流速分布，比較不同區域的流速變化，如圖4所示。各個點與中心M的距離為3.9mm。
圖4中橫坐標表示聲道方向探頭面與聲道中心的距離;縱坐標表示聲道方向的流速,A至B方向流速為正;R區域與L區域流速分布相同;Ref是指參考位置即未受到探頭擾流處,壁面連線之間的區域。探頭A的D區域和探頭B的U區域流場有明顯的速度變化，這是因為在探頭安裝孔處形成了旋渦,流速在這兩個區域內變化最為劇烈,而且相對流場而言，安裝孔內的旋渦方向和大小并不相同;M區域和L區域處的流場相類似,受旋渦影響較小。
2.聲場仿真結果
圖5展示了探頭A發射超聲波時,超聲波的傳播過程。在探頭A、探頭B的壁面處,超聲波發生了反射,反射信號和原信號相互疊加,造成了接收面聲壓的不對稱,進而影響傳播時間的測量。探頭B接收聲壓的分布情況如圖6所示,聲壓在接收面上非均勻分布,在接收面上分布-一個低壓區,低壓區中心位于中心偏下游的位置。
圖7為超聲傳播過程中不同位置聲壓振幅的分布情況,其中位置1~位置5已在圖5(a)中標注,統計的是聲波經過該位置的聲壓變化的振幅。在探頭A處的壁面反射造成了發射聲壓分布的畸變,在傳輸過程中逐漸減少了它的影響,所以探頭B所接收的聲壓主要受到B處壁面反射的影響,在探頭B附近低壓中心從上游逐漸向下游移動。
3.傳播時間及流速計算
由于旋渦和璧面反射的影響,靠近超聲波流量計探頭邊緣區域的聲壓曲線存在一定畸變。探頭B不同區域接收的聲壓與平均聲壓的關系如圖8所示。其中實線代表平均聲壓,虛線代表M區域處的聲壓變化。聲波傳播過程中,受到不同聲波傳播路徑和壁面反射的影響,接收面不同位置,接收聲壓幅值與過零點有明顯的區別。M區域處聲壓曲線幅值略高于平均聲壓曲線、過零點與平均聲壓曲線接近;U區域和D區域處聲壓曲線過零點與平均曲線有較大差異。 
由于探頭不同區域聲壓變化曲線的差異,采用平均聲壓曲線來計算時間差,平均聲壓的計算結果接近聲壓中心,而且有更好的穩定性。探頭A、探頭B接收到的平均聲壓變化曲線如圖9所示,探頭A由于流體的減速作用收到波形略晚，兩個波形的相似度較高。利用互相關函數計算時差:
式中,y1(m)和y2(m)為探頭A、探頭B接收聲壓信號;m為數據長度,由互相關理論，當互相關函數取得最大值的時間位移,對應的是兩波形之間的時差。對R(m)進行優化求解,假設在m0點處取得最大值,可以求得時差△t:
實際流量計測量時,通常是通過正逆向傳播時間T1、t2去和時差△t計算流速,由于流速遠小于聲速u0<<C0,可以進一步得到:
式中,L為聲道長度。將△t代人到式(5)中,可以解得聲道方向的平均流速V'm。聲場仿真計算中,△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求得V'm=I.928m/s。
對比管道流場計算結果,對聲束范圍內流速取平均值,求得V'm=1.934m/s,未受到超聲波流量計擾流區的聲道方向平均流速Vm=2.247m/s,求得聲場和流場計算的系統偏差E分別為一14.2%和-12.5%。兩者的差異體現了壁面反射對修正系數的影響。
 |
