多聲道超聲波氣體流量檢測技術仿真與實驗研究.pdf

1、傳播時間式超聲波流量檢測技術在氣體管道輸送得到廣泛應用。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、重復性高、內部無移動部件和幾乎無管道內壓損等優(yōu)勢，成為氣體輸送和貿易的首選。在中國，作為國際天然氣貿易的法定計量儀表，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重的問題。
　　本文關注超聲波氣體流量儀表在管道內流體流動影響下的計量效果。采

2、用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真和實驗相結合的方法，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

3、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

4、量計進行的流體計量實驗驗證仿真結果。比較過零檢測法和互相關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系數(shù)的新方法。由于能根據(jù)不同安裝情況下管道流

5、體流速分布狀況選取權系數(shù)，與傳統(tǒng)的多聲道超聲波流量計聲道積分權系數(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