本文關(guān)鍵詞：多聲道超聲波氣體流量檢測技術(shù)仿真與實驗研究

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【摘要】：傳播時間式超聲波流量檢測技術(shù)在氣體管道輸送得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)氣體流量檢測儀表相比,超聲波氣體流量檢測儀表具有雙向性、精度高、重復(fù)性高、內(nèi)部無移動部件和幾乎無管道內(nèi)壓損等優(yōu)勢,成為氣體輸送和貿(mào)易的首選。在中國,作為國際天然氣貿(mào)易的法定計量儀表,超聲波氣體流量計有很大的發(fā)展和應(yīng)用潛力。但在具有一系列優(yōu)點的同時,超聲波氣體流量計也存在精確度受到流體流動影響嚴(yán)重的問題。本文關(guān)注超聲波氣體流量儀表在管道內(nèi)流體流動影響下的計量效果。采用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真和實驗相結(jié)合的方法,建立可靠的數(shù)值仿真分析模型,制作超聲波多聲道氣體流量計樣機,搭建流量實驗系統(tǒng),研究管道氣體的流動特點和超聲波流量計量效果。主要工作和研究成果如下：1.采用CFD研究氣體在管道中流動的特性及流速分布對超聲波流量計量的影響。建立管道氣體流動模型并進行網(wǎng)格劃分,選取可靠的控制方程進行求解；提出一種模擬超聲波流量計原理的計算聲波渡越時間的新方法來處理仿真數(shù)據(jù),用于本文所有的CFD仿真分析。研究長直圓形管道內(nèi)的流體在層流和湍流兩種狀態(tài)下的流動特性和分別使用單聲道和多聲道超聲波氣體流量計計量的效果。模擬90°單彎管、180°雙彎管等阻流件下游氣體流動,分析流速分布特點,研究非理想流速分布對超聲波流量計量各個聲道上流速測量和流量計精度的影響并分析討論。2.制作超聲波氣體流量計樣機,搭建超聲波氣體流量計量實驗系統(tǒng)。在低速區(qū)和非低速區(qū)分別使用單聲道和多聲道流量計進行的流體計量實驗驗證仿真結(jié)果。比較過零檢測法和互相關(guān)法兩種檢測超聲波渡越時間的方案,分析各自適用的流速范圍；針對高速流動氣體中超聲波渡越時間數(shù)據(jù)離散程度大的現(xiàn)象提出分流速區(qū)選取參考波形的方案；對阻流件下游的非理想流速分布流體的超聲波流量計量進行研究；討論溫度壓力變化對計量的影響。3.提出一種基于Levenberg-Marquardt算法用于多聲道超聲波氣體流量計聲道積分計算權(quán)系數(shù)的新方法。由于能根據(jù)不同安裝情況下管道流體流速分布狀況選取權(quán)系數(shù),與傳統(tǒng)的多聲道超聲波流量計聲道積分權(quán)系數(shù)方案相比,該方法可有效提高多聲道流量計的精度。為探討基于LMA的積分計算方法的適應(yīng)性,在90°單彎管下游和180°雙彎管下游的不同位置安裝Gauss-Legendre布局六聲道超聲波氣體流量計,仿真和實驗結(jié)果都證明該方法可提高多聲道流量計在測量非理想流速分布管道氣體流量的精度。由于阻流件下游流速的非對稱分布,不同的聲平面安裝角度會帶來不同的測量偏差,與彎管平面呈一定角度安裝可避開流速分布的低速區(qū),提高多聲道流量計測量精度。
【關(guān)鍵詞】：超聲波氣體流量檢測技術(shù) 計算流體力學(xué)仿真 多聲道超聲波流量計 聲道布局方案 聲道積分計算方法 超聲波換能器
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH814.92
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-20
• 1.1 超聲波氣體流量檢測技術(shù)研究背景13-16
• 1.2 超聲波氣體流量檢測技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀16-18
• 1.3 本課題研究的內(nèi)容18-20
• 第2章 超聲波氣體流量檢測技術(shù)20-40
• 2.1 超聲波氣體流量計測量原理20-25
• 2.1.1 傳播速度差法20-23
• 2.1.2 相關(guān)法23-24
• 2.1.3 多普勒法24-25
• 2.1.4 波束偏移法25
• 2.2 超聲波氣體流量檢測關(guān)鍵技術(shù)25-35
• 2.2.1 超聲波換能器26-28
• 2.2.2 超聲波信號渡越時間計時技術(shù)28-30
• 2.2.3 影響超聲波氣體流量計測量精度的主要因素30-35
• 2.3 多聲道超聲波氣體流量計35-39
• 2.3.1 多聲道超聲波氣體流量計基本工作原理35-36
• 2.3.2 多聲道超聲波氣體流量計聲道布置方式和流量積分算法36-39
• 2.4 本章小結(jié)39-40
• 第3章 超聲波氣體流量計對管道流體計量仿真研究40-76
• 3.1 超聲波氣體流量計管道流體計量仿真研究方法40-46
• 3.1.1 計算流體動力學(xué)概述40-41
• 3.1.2 CFD模型選取和有效性41-43
• 3.1.3 超聲波氣體流量計CFD仿真建模43-46
• 3.1.4 數(shù)值模擬中超聲波傳播時間計算方法46
• 3.2 理想條件下管道流體計量研究46-54
• 3.2.1 充分發(fā)展的管道層流流動47-48
• 3.2.2 充分發(fā)展的管道湍流流動48-50
• 3.2.3 流量修正50
• 3.2.4 長直圓管道流體計量數(shù)值模擬結(jié)果及分析50-54
• 3.3 非理想管道流場分布條件下流體計量研究54-75
• 3.3.1 非理想管道流場分布特性54-58
• 3.3.2 90°單彎管下游流體流動特性和計量數(shù)值模擬分析58-70
• 3.3.3 180°雙彎管下游流體流動特性和計量數(shù)值模擬分析70-75
• 3.4 本章小結(jié)75-76
• 第4章 超聲波氣體流量計樣機和實驗系統(tǒng)搭建76-86
• 4.1 超聲波氣體流量計樣機76-80
• 4.1.1 超聲波換能器選型76-78
• 4.1.2 超聲波氣體流量計殼體設(shè)計78
• 4.1.3 超聲波渡越時間測量電路78-80
• 4.2 超聲波氣體流量實驗系統(tǒng)搭建80-83
• 4.2.1 超聲波氣體流量實驗系統(tǒng)方案80-81
• 4.2.2 氣體輸入輸送部分81-82
• 4.2.3 實驗管道部分82
• 4.2.4 標(biāo)準(zhǔn)流量計量部分82-83
• 4.3 蒼南儀表廠氣體流量計標(biāo)定實驗系統(tǒng)83-85
• 4.4 本章小結(jié)85-86
• 第5章 超聲波氣體流量檢測實驗研究及影響因素分析86-115
• 5.1 超聲波氣體流量檢測實驗研究86-97
• 5.1.1 靜態(tài)時延測試86-88
• 5.1.2 零流量測試88-89
• 5.1.3 非低速區(qū)氣體流量檢測實驗89-92
• 5.1.4 低速氣體流量檢測實驗92-95
• 5.1.5 兩種渡越時間檢測方案對比95-97
• 5.2 高速氣體流量檢測研究97-104
• 5.2.1 高速氣體渡越時間檢測97-99
• 5.2.2 分流速區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)波形99
• 5.2.3 超聲波接收波形的時變特點99-101
• 5.2.4 “Ⅰ”型對射管道101-104
• 5.3 非理想流速分布管道氣體超聲波流量檢測計量實驗104-111
• 5.3.1 90°單彎管下游超聲波氣體流量計量實驗104-108
• 5.3.2 180°雙彎管下游超聲波氣體流量計量實驗108-111
• 5.4 溫度和壓力等因素對超聲波流量計的影響111-114
• 5.4.1 超聲波換能器靜態(tài)壓力實驗111-112
• 5.4.2溫度對超聲波氣體流量測量的影響112-113
• 5.4.3 其他影響超聲波氣體流量測量的因素113-114
• 5.5 本章小結(jié)114-115
• 第6章 多聲道超聲波氣體流量檢測精度提高方法研究115-139
• 6.1 多聲道超聲波氣體流量計聲道布置方案及積分算法115-118
• 6.2 基于LEVENBERG-MARQUARDT算法的多聲道積分計算方法118-125
• 6.2.1 Levenberg-Marquardt算法原理118-120
• 6.2.2 LMA用于多聲道超聲波流量計權(quán)系數(shù)優(yōu)化120-121
• 6.2.3 基于LMA的多聲道超聲波氣體流量計量仿真研究121-124
• 6.2.4 基于LMA的多聲道超聲波氣體流量計量實驗研究124-125
• 6.3 基于LMA的多聲道積分權(quán)系數(shù)計算方法的流場適應(yīng)性研究125-132
• 6.3.1 在90°單彎管下游使用LMA多聲道積分計算方法126-129
• 6.3.2 在180°雙彎管下游使用LMA多聲道積分計算方法129-131
• 6.3.3 基于LMA多聲道積分計算方法應(yīng)用于不同種類的氣體和管徑131-132
• 6.3.4 基于LMA多聲道積分計算方法適應(yīng)性分析132
• 6.4 聲平面安裝角度對超聲波流量儀表計量的影響132-138
• 6.4.1 聲平面安裝角度變化研究對象選取和模型建立133-134
• 6.4.2 聲平面安裝角度對計量影響的數(shù)值模擬實驗134-136
• 6.4.3 聲平面安裝角度對計量影響實驗結(jié)果及分析136-138
• 6.5 本章小結(jié)138-139
• 第7章 結(jié)論與展望139-142
• 7.1 結(jié)論139-140
• 7.2 展望140-142
• 參考文獻142-149
• 致謝149-151
• 作者簡介151
• 1. 教育經(jīng)歷151
• 2. 發(fā)表論文151
• 3. 獲得獎勵151

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本文編號：594038