摘要;超声流量计测量过程探头大小和结构设计所中探头对流场的干扰是流量计流声耦合仿真,定量分析了引起的执流效应、计算实检量计探头扰流的系统偏差;了声道速度分布、探失声压1系统偏差�！眎并利用分段加极平均的方式，这一少靠群进更长声道长度情况下的探共挽流系统偏差。
超声流量计由于其无压损、易安装、精度高等优点,近年来得到了广泛应用。超声流量计是通过测量超声波在流体中顺流和逆流的时间差,计算声道上的平均流速,再对不同声道高度的平均流速进行积分,从而求得流量"。常见的探头安装方式如图1所示，在探头附近容易产生旋涡,影响了时差的测量。
利用CFD方法和实流.实验研究了不同探头插人深度时超声流量测量的偏差。为了分析系统偏差的来源,Loland等利用PIV、LDV和CFD研究了探头空腔内的局部流动结构;对探头空腔内的流动也进行了细致的实验研究。两人的研究关注点在于流场,实际上流量计.测到的声波信号里体现了波束范围内流动的影响和壁面反射对声波信号的干扰，流场和声场两者耦合作用共同造成了流量测量的偏差。
为了研究超声流量计探头扰流影响的机理,合理修正探头扰流影响造成的系统偏差,利用多物理场仿真软件对图1(a)中的管道模型进行了流声耦合仿真,分析了管道探头模型中的流场细节和超声波耦合传播方式，并通过互相关算法计算时差，探讨了探头扰流和壁面反射作用对流量测量的影响。
1计算模型
仿真计算采用多物理场建模软件COMSOL。首先进行流场仿真,计算模型为带有--对超声探头安装孔的管道,长度为300mm,直径为70mm，探头安装孔直径为14mm,按照45°声道角分布于管道两侧，如图2所示。流场仿真采用不可压缩流动k-&湍流模型来模拟管道中流场的流动过程,并用PARDISO算法进行稳态求解，管道平均流速为3m/s。
式中ƒ0为振动频率,A为振动幅值。假设理想介质水域为连续介质,声波在水域中的能量损耗为零,利用声波在流体中的连续性方程,并通过MUMPS算法进行瞬态求解,对声波在水流中传播的方式进行仿真，
式中,P为声压;P0为流压力;po为流密度;c0为声速;V0为流速。本文中声速C0设置为1481m/s。分别在探头A探头B端添加式(1)振动速度u,为减少计算量,设置了较低的振动频率(0.2MHz)。
2仿真结果分析
2.1流场仿真结果
计算得到的探头处流场如图3所示,探头附近存在旋涡。把探头端面分别分为5个区域,以5个区域的中点M、U、D、L、R作为计算依据,分别提取5条连线上的流速分布，比较不同区域的流速变化，如图4所示。各个点与中心M的距离为3.9mm。
图4中横坐标表示声道方向探头面与声道中心的距离;纵坐标表示声道方向的流速,A至B方向流速为正;R区域与L区域流速分布相同;Ref是指参考位置即未受到探头扰流处,壁面连线之间的区域。探头A的D区域和探头B的U区域流场有明显的速度变化，这是因为在探头安装孔处形成了旋涡,流速在这两个区域内变化最为剧烈,而且相对流场而言，安装孔内的旋涡方向和大小并不相同;M区域和L区域处的流场相类似,受旋涡影响较小。
2.2声场仿真结果
图5展示了探头A发射超声波时,超声波的传播过程。在探头A、探头B的壁面处,超声波发生了反射,反射信号和原信号相互叠加,造成了接收面声压的不对称,进而影响传播时间的测量。探头B接收声压的分布情况如图6所示,声压在接收面上非均匀分布,在接收面上分布-一个低压区,低压区中心位于中心偏下游的位置。
图7为超声传播过程中不同位置声压振幅的分布情况,其中位置1~位置5已在图5(a)中标注,统计的是声波经过该位置的声压变化的振幅。在探头A处的壁面反射造成了发射声压分布的畸变,在传输过程中逐渐减少了它的影响,所以探头B所接收的声压主要受到B处壁面反射的影响,在探头B附近低压中心从上游逐渐向下游移动。
2.3传播时间及流速计算
由于旋涡和璧面反射的影响,靠近探头边缘区域的声压曲线存在一定畸变。探头B不同区域接收的声压与平均声压的关系如图8所示。其中实线代表平均声压,虚线代表M区域处的声压变化。声波传播过程中,受到不同声波传播路径和壁面反射的影响,接收面不同位置,接收声压幅值与过零点有明显的区别。M区域处声压曲线幅值略高于平均声压曲线、过零点与平均声压曲线接近;U区域和D区域处声压曲线过零点与平均曲线有较大差异。
由于探头不同区域声压变化曲线的差异,采用平均声压曲线来计算时间差,平均声压的计算结果接近声压中心,而且有更好的稳定性。探头A、探头B接收到的平均声压变化曲线如图9所示,探头A由于流体的减速作用收到波形略晚，两个波形的相似度较高。利用互相关函数计算时差:
式中,y1(m)和y2(m)为探头A、探头B接收声压信号;m为数据长度,由互相关理论，当互相关函数取得最大值的时间位移,对应的是两波形之间的时差。对R(m)进行优化求解,假设在m0点处取得最大值,可以求得时差△t:
实际流量计测量时,通常是通过正逆向传播时间T1、t2去和时差△t计算流速,由于流速远小于声速u0<<C0,可以进一步得到:
式中,L为声道长度。将△t代人到式(5)中,可以解得声道方向的平均流速V'm。声场仿真计算中,△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求得V'm=I.928m/s。
对比管道流场计算结果,对声束范围内流速取平均值,求得V'm=1.934m/s,未受到探头扰流区的声道方向平均流速Vm=2.247m/s,求得声场和流场计算的系统偏差E分别为一14.2%和-12.5%。两者的差异体现了壁面反射对修正系数的影响。
3推论和讨论
超声探头对流场的扰动通常只发生在探头附近--定范围内,该范围之外流场与上游充分发展的流场相同，因此可以用加权平均的方式将第2节中的计算结果向更长的声道进行推论。在图10所示的探头安装方式下,声道角度为φ,探头直径为D。假设探头在一定范围内影响流场,上下游流场受影响的范围为b,所以将流场沿声道方向划分成3个区域,分别为两端的流场受影响速度区和中间的非影响速度区。
通过流场和声场耦合仿真计算3个区域内平均投影速度,然后用加权分析的方法计算凸出效应造成的系统偏差,如式(7)所示。
式中,V1、V2分别为未受到探头扰流处上下游受影响速度区,声道方向的平均流速;V'1、V'2分别为探头扰流处,上下游受影响速度区,声道方向的平均流速;V为非影响速度区,声道方向的平均流速。其中几何尺寸L、D、φ为固定值,V1、V2可以正确计算,所以确认b的范围和V'1、V'2的值是确定修正系数的关键。
通过对图4分析可知,在这种安装方式下,在管道中心位置附近,各方向的流速是相近的,流速差值小于1%,可以认为管道中心附近为非影响速度区;在管道中心两侧,不同区域的流速变化情况不同,可以认为受影响速度区的范围b=3.535D。通过耦合仿真计算,将非影响区域的流速平均值V=2.458m/s和平均声压计算流速值V"m=1.928m/s带人式(7)中,求得上下游影响区域内的平均流速(V'1+V"2)/2为1.928m/s。再利用式(7)进行加权计算,可以推算出更长声道时的探头扰流影响,设定非影响区域的流速为1,求得不同管道口径下,流速的系统偏差E如表1所示,其中声道角度φ=45°,探头直径D=14mm。
4结论
超声流量计探头局部结构带来的扰流效应造成了其流量测量的系统偏差,这一偏差通常利用实验室实流校准来修正。为了更好地分析探头扰流影响机理,利用多物理场仿真软件对其进行了流声耦合分析,主要结论如下:
①探头凹坑内存在低速区且有漩涡,声束范围内各区域的平均流速与探头中心区域上的平均流速不同,再加上探头附近的壁面声波反射,造成探头端面不同区域接收到的声压信号有差异,流量计测到的声波传播时间体现的是声压信号统计平均的结果。
②对于带有直径14mm的斜插缩进式探头的DN70流量计,按照探头收到的面平均声压信号计算时差,探头扰流造成的系统偏差约为-14.2%。
③在仿真结果的基础上,假设探头扰流影响范围只限于其附近一定范围,利用分段加权平均的方式,推导了更长的声道长度情况下的探头扰流系统偏差,发现该偏差均为负偏差,其绝对值近似等于探头缩进比，随着声道长度的增加而降低。
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