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弯曲板波测量液体密度的机理研究

郝君宇  
【摘要】:密度是反映物质特性的物理量,在工业生产和社会生活的众多领域,越来越要求精确测量液体的密度,在某些特殊的场合,要求通过细小的孔径,对内部的液体密度进行检测,如油田探测、生物医学领域、轻工酿造行业等。在石油测井领域中,油井中液体的密度是一个非常重要的参数,通过钻孔实时检测石油的密度参数,可以确定油田的开采价值,液体密度测量是产出剖面测井的重要测量方法之一。本文在国内外现有测量方法的基础上,结合油田测井生产实际需求,提出采用弯曲振动薄圆板来制作液体密度计,解决目前传统密度计在产出剖面测井时密度分布测量精度低、测量范围小、重复性误差大等问题。本文的主要研究工作如下: (1)基于薄圆板弯曲振动理论,建立薄圆板在液体中弯曲振动的理论模型,推导出依据薄圆板弯曲振动测量液体密度的方程: (2)计算了薄圆板在空气和单/双侧临水时的1-6阶模态弯曲振动频率,分析了薄圆板的半径、厚度、材料和液体密度对其弯曲振动特性的影响。仿真研究表明:振动系统的振动频率呈现出空气中最高,单侧临水时次之,双侧临水时最低的特点。薄圆板的半径越大,振动频率越低;薄圆板的厚度越大,振动频率越高; (3)利用有限元分析软件对薄圆板的弯曲振动特性进行仿真,给出了薄圆板单/双侧临水时的1-6阶模态弯曲振动声压辐射波束图。将仿真结果与理论结果进行比较,验证了理论结果的正确性。根据仿真结果可知:在空气中不同材料薄圆板的1-6阶模态振动频率的变化规律为:f钢f铝f镍f铜,在单/双侧临水时振动频率的变化规律为:f钢f镍f铜f铝,共振频率差值的变化规律为:△f铝△f钢△f镍Af铜。在进行液体密度测量时,可以选取密度较小的薄圆板进行测量; (4)根据有限元仿真结果,加工了七个不同尺寸、不同材料的薄圆板,测试了其在空气和不同浓度的盐水中的弯曲振动频率。根据测试结果,利用薄圆板弯振频率与液体密度的关系,计算出液体密度,验证了理论模型和有限元仿真结果,证明利用薄圆板弯曲振动来测量液体密度的方法是可行的。 通过本文的研究,给出了一种利用薄圆板弯曲振动来测量液体密度的方法,该研究为声学方法在液体密度测量方面的应用提供了重要依据。


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