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多声道超声波气体流量检测技术仿真与实验研究

唐晓宇  
【摘要】:传播时间式超声波流量检测技术在气体管道输送得到广泛应用。与传统气体流量检测仪表相比,超声波气体流量检测仪表具有双向性、精度高、重复性高、内部无移动部件和几乎无管道内压损等优势,成为气体输送和贸易的首选。在中国,作为国际天然气贸易的法定计量仪表,超声波气体流量计有很大的发展和应用潜力。但在具有一系列优点的同时,超声波气体流量计也存在精确度受到流体流动影响严重的问题。本文关注超声波气体流量仪表在管道内流体流动影响下的计量效果。采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真和实验相结合的方法,建立可靠的数值仿真分析模型,制作超声波多声道气体流量计样机,搭建流量实验系统,研究管道气体的流动特点和超声波流量计量效果。主要工作和研究成果如下:1.采用CFD研究气体在管道中流动的特性及流速分布对超声波流量计量的影响。建立管道气体流动模型并进行网格划分,选取可靠的控制方程进行求解;提出一种模拟超声波流量计原理的计算声波渡越时间的新方法来处理仿真数据,用于本文所有的CFD仿真分析。研究长直圆形管道内的流体在层流和湍流两种状态下的流动特性和分别使用单声道和多声道超声波气体流量计计量的效果。模拟90°单弯管、180°双弯管等阻流件下游气体流动,分析流速分布特点,研究非理想流速分布对超声波流量计量各个声道上流速测量和流量计精度的影响并分析讨论。2.制作超声波气体流量计样机,搭建超声波气体流量计量实验系统。在低速区和非低速区分别使用单声道和多声道流量计进行的流体计量实验验证仿真结果。比较过零检测法和互相关法两种检测超声波渡越时间的方案,分析各自适用的流速范围;针对高速流动气体中超声波渡越时间数据离散程度大的现象提出分流速区选取参考波形的方案;对阻流件下游的非理想流速分布流体的超声波流量计量进行研究;讨论温度压力变化对计量的影响。3.提出一种基于Levenberg-Marquardt算法用于多声道超声波气体流量计声道积分计算权系数的新方法。由于能根据不同安装情况下管道流体流速分布状况选取权系数,与传统的多声道超声波流量计声道积分权系数方案相比,该方法可有效提高多声道流量计的精度。为探讨基于LMA的积分计算方法的适应性,在90°单弯管下游和180°双弯管下游的不同位置安装Gauss-Legendre布局六声道超声波气体流量计,仿真和实验结果都证明该方法可提高多声道流量计在测量非理想流速分布管道气体流量的精度。由于阻流件下游流速的非对称分布,不同的声平面安装角度会带来不同的测量偏差,与弯管平面呈一定角度安装可避开流速分布的低速区,提高多声道流量计测量精度。


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