隨著數(shù)字信號(hào)處理、超聲換能器材料和電子技術(shù)的發(fā)展,超聲流量測(cè)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(chǎng)合的超聲波流量計(jì)相繼出現(xiàn)于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。其中,時(shí)差法超聲波流量計(jì)以測(cè)量精度高、量程比寬、無任何活動(dòng)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(jì)。時(shí)差法超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(shí)差)。本文針對(duì)不同結(jié)構(gòu)超聲波流量計(jì)內(nèi)的水流特性,通過對(duì)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(jì)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)背景流場(chǎng),分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超聲波流量計(jì)內(nèi)水流特性的影響。將流場(chǎng)結(jié)果準(zhǔn)確的映射到聲場(chǎng)網(wǎng)格后,采用流場(chǎng)和聲場(chǎng)耦合的方法研究不同速度分布對(duì)超聲傳播規(guī)律的影響,并依據(jù)射線追蹤法的計(jì)算結(jié)果對(duì)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(jì)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(jì)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(jí)別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
主要符號(hào)說明
第1章 緒論
    1.1 研究背景
        1.1.1 超聲波流量計(jì)的分類
        1.1.2 時(shí)差式超聲波流量計(jì)
    1.2 影響超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的主要因素
        1.2.1 換能器安裝效應(yīng)及流場(chǎng)適應(yīng)性問題
        1.2.2 流動(dòng)介質(zhì)中聲波的傳輸問題
        1.2.3 超聲波信號(hào)傳播時(shí)間的檢測(cè)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(chǎng)和聲場(chǎng)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(shí)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(chǎng)下超聲波流量計(jì)內(nèi)瞬態(tài)聲場(chǎng)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(jì)中的傳播
        3.3.1 穩(wěn)態(tài)背景流場(chǎng)
        3.3.2 換能器動(dòng)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(shí)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(duì)比
    3.4 超聲波流量計(jì)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(shí)差對(duì)比
    3.7 本章小結(jié)
第4章 高速氣體流動(dòng)對(duì)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(dòng)中傳播
        4.1.2 射線在非理想流場(chǎng)中的傳播
    4.2 聲波在流動(dòng)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(duì)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(jì)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(jì)算區(qū)域
        5.2.2 計(jì)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(shí)差采集原理
        5.3.2 物理模型及網(wǎng)格劃分
        5.3.3 計(jì)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(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響
        5.3.6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施對(duì)流速穩(wěn)定性的影響
        5.3.7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施對(duì)壓力損失的影響
        5.3.8 實(shí)測(cè)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?jiǎng)?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(píng)閱及答辯情祝表



本文編號(hào)：3784809