專利名稱：一種非理想流場下的多聲道超聲流量計聲道布置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流量測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種非理想流場下的多聲道超聲流量計聲道布置方法。
背景技術(shù)：
超聲流量計近十年發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)流量計相比，具有無可動部件、管道中無阻擋件、無壓力損失，測量范圍寬、重復(fù)性高等優(yōu)點，其中最為突出的優(yōu)點是可以用于大管徑流量測量，且具有較高的測量精度。目前，多聲道超聲流量計廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型水電站輸水管道的流量計量，以實現(xiàn)水輪機效率和狀態(tài)的在線監(jiān)測。此外，美國、荷蘭、英國、德國等12個國家已將多聲道超聲流量計應(yīng)用于6英寸以上口徑的天然氣貿(mào)易輸送計量。我國在“西氣東輸”工程中，也正在研究將超聲流量計取代傳統(tǒng)的孔板流量計達到準確計量、節(jié)能降耗的目的。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于測量管道口徑巨大加之場地的限制，超聲流量計安裝位置的前后直管段長度往往嚴重不足，上游阻流件的存在造成流體流動遠不能達到理想的充分發(fā)展狀態(tài)，導(dǎo)致超聲流量計的測量性能受到影響。此外，管徑巨大也給流量計的檢定帶來一定困難，雖然從理論上可以實現(xiàn)超聲流量計的非實流標定，但在落實和完善非實流標定方法的過程中，存在一個關(guān)鍵問題亟待解決——超聲探頭對流量測量的影響。無論是阻流件還是超聲探頭的影響，最終改變的是流體流過超聲流量計的流動狀態(tài)，即管道中產(chǎn)生了非理想流場，進而影響了超聲流量計的測量性能。國內(nèi)外學(xué)者針對非理想流場導(dǎo)致超聲流量計測量性能變差這一問題開展了許多研究，通過大量實流實驗給出了典型阻流件下游不同位置處各種聲道布置形式超聲流量計的測量誤差，同時結(jié)合數(shù)值仿真計算，分析了流場的流態(tài)分布特征，進而揭示了非理想流場下流態(tài)對超聲流量測量的影響機理。發(fā)明人認為，要從根本上改善多聲道超聲流量計非理想流場下的測量性能，關(guān)鍵是基于流態(tài)分布特征布置合理的聲道位置，同時匹配合理的權(quán)系數(shù)，從而提高超聲流量計的測量精度。目前多聲道超聲流量計普遍采用聲道平行布置方式，是由國際電工委員會(IEC)和美國機械工程師協(xié)會(ASME)在1991年對外公布的，基于高斯數(shù)值積分方法分別給出了針對矩形管道的高斯-勒讓德(Gauss-Legendre)和圓管的高斯_雅可比(Gauss-Jacobi)方法來確定各聲道的位置和相應(yīng)權(quán)系數(shù)。但這兩種方法均假設(shè)了被測流場是均勻流，是忽略流體粘性的理想流動。隨后，雖然有學(xué)者在Gauss-Jacobi方法的基礎(chǔ)上對其進行改進，提出了最佳圓斷面方法(0WICS)，假設(shè)圓管內(nèi)流動為充分發(fā)展，更貼近了管內(nèi)實際流動。但對于復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，特別是大口徑管道應(yīng)用領(lǐng)域，管內(nèi)復(fù)雜的流動狀態(tài)嚴重影響了超聲流量計的測量精度。造成這一問題的根本原因在于目前普遍采用的基于理想流動假設(shè)的聲道布置方法與工業(yè)現(xiàn)場管內(nèi)復(fù)雜的非理想流動不匹配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種基于非理想流場流態(tài)分布的多聲道超聲流量計聲道布置方法，使得各聲道位置及相應(yīng)的權(quán)系數(shù)能夠與被測非理想流場相匹配，最終實現(xiàn)提高非理想流場超聲流量計測量性能，降低測量誤差的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種非理想流場下的多聲道超聲流量計聲道布置方法，包括下列步驟步驟一針對待測非理想流場，通過計算流體動力學(xué)前處理及仿真軟件Gambit和Fluent進行三維建模和計算，獲得流量計內(nèi)部任一網(wǎng)格節(jié)點處的三維速度值。步驟二 設(shè)定離散步長，將流量計處的管道橫截面離散化，利用多條弦線將管道直徑等分成多份，其中第I條和最后一條實際位于管壁處的點，則每條弦線上的三維線平均速度為弦線上各節(jié)點三維速度沿弦線的積分除以弦長，總的線平均速度為三維線平均速度在流動方向上投影速度的疊加。步驟三基于各弦線總的線平均速度，定義區(qū)域流動方程為以管道直徑進行歸一化的弦長乘以對應(yīng)弦線上總的線平均速度，該方程表示被各弦線分割的區(qū)域內(nèi)流量占流過管道橫截面總流量的權(quán)重，則總流量可以通過各區(qū)域流量與相應(yīng)權(quán)重的乘積在區(qū)間[-1，I]倍半徑內(nèi)積分獲得；根據(jù)Gauss積分理論，所定義的區(qū)域流動方程即為被積函數(shù)的權(quán)函數(shù)，通過積分理論中求解互異節(jié)點及權(quán)系數(shù)的方法，在積分區(qū)間[-1，I]內(nèi)獲得的N個互異節(jié)點即為N條平行聲道布置的最佳位置。設(shè)管道內(nèi)徑為R，則離散步長可選取為O. OlR0從后面的對比可以看出，本發(fā)明提供的多聲道超聲流量計聲道布置方法較Gauss-Jacobi方法對于非理想流場下超聲流量計測量性能的改善具有明顯優(yōu)勢，使得測量精度平均提高了約4%。


圖1管道橫截面離散化示意圖。圖2單彎頭與超聲流量計安裝示意圖。
具體實施例方式首先概述一下本發(fā)明的聲道布置方法步驟一針對待測非理想流場，通過計算流體動力學(xué)前處理及仿真軟件Gambit和Fluent進行三維建模、計算，獲得流量計內(nèi)部任一網(wǎng)格節(jié)點處的三維速度值。步驟二 將流量計處的管道橫截面離散化(圖1)，201條弦線將管道直徑等分成200份，即各弦線間隔為O. 01倍管道半徑R，其中第I條和第201條實際是在管壁處的點。則每條弦線上的三維線平均速度為弦線上各節(jié)點三維速度沿弦線的積分除以弦長，總的線平均速度為三維線平均速度在流動方向上投影速度的疊加。步驟三基于各弦線總的線平均速度，定義區(qū)域流動方程為以管道直徑進行歸一化的弦長乘以對應(yīng)弦線上總的線平均速度，該方程表示被各弦線分割的區(qū)域內(nèi)流量占流過管道橫截面總流量的權(quán)重，則總流量可以通過各區(qū)域流量與相應(yīng)權(quán)重的乘積在區(qū)間[-1，I]倍半徑內(nèi)積分獲得。根據(jù)Gauss積分理論，所定義的區(qū)域流動方程即為被積函數(shù)的權(quán)函數(shù)，通過積分理論中求解互異節(jié)點及權(quán)系數(shù)的方法，在積分區(qū)間[-1，I]內(nèi)獲得的N個互異節(jié)點即為N條平行聲道布置的最佳位置，其對應(yīng)的權(quán)系數(shù)也可獲得。需要說明的是，本方法中將管道圓截面離散化，離散步長選取為O. 01R，該步長可以根據(jù)被測流場的復(fù)雜程度進行調(diào)整，流動越復(fù)雜，離散步長應(yīng)越小，這樣更能逼近真實流場。以下將給出前述實驗優(yōu)化結(jié)果的具體實施過程，以前直管段IOD情況為例:步驟一:基于實流實驗的管道布置(圖2)，利用Gambit進行幾何建模和網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)入到Fluent中進行三維流場的數(shù)值仿真，從而獲得超聲流量計處的流場信息，即任一網(wǎng)格節(jié)點上的三維速度值Vx, Vy, Vz。步驟二:截取如圖2所示的Y-Z截面，201條弦線將管道直徑等分成200份(圖1)，基于仿真結(jié)果可以獲得201條弦線上的三維速度，例如第g條弦線上的三維速度可以表示為vxg，vyg，Vzg。則每條弦線上的三維線平均速度為弦線上各節(jié)點三維速度沿弦線的積分除以弦長。
權(quán)利要求
1.一種非理想流場下的多聲道超聲流量計聲道布置方法，包括下列步驟: 步驟一:針對待測非理想流場，通過計算流體動力學(xué)前處理及仿真軟件Gambit和Fluent進行三維建模和計算，獲得流量計內(nèi)部任一網(wǎng)格節(jié)點處的三維速度值； 步驟二:設(shè)定離散步長，將流量計處的管道橫截面離散化，利用多條弦線將管道直徑等分成多份，其中第I條和最后一條實際位于管壁處的點，則每條弦線上的三維線平均速度為弦線上各節(jié)點三維速度沿弦線的積分除以弦長，總的線平均速度為三維線平均速度在流動方向上投影速度的疊加； 步驟三:基于各弦線總的線平均速度，定義區(qū)域流動方程為以管道直徑進行歸一化的弦長乘以對應(yīng)弦線上總的線平均速度，該方程表示被各弦線分割的區(qū)域內(nèi)流量占流過管道橫截面總流量的權(quán)重，則總流量可以通過各區(qū)域流量與相應(yīng)權(quán)重的乘積在區(qū)間[_1，1]倍半徑內(nèi)積分獲得；根據(jù)Gauss積分理論，所定義的區(qū)域流動方程即為被積函數(shù)的權(quán)函數(shù)，通過積分理論中求解互異節(jié)點及權(quán)系數(shù)的方法，在積分區(qū)間[-1，I]內(nèi)獲得的N個互異節(jié)點即為N條平行聲道布置的最佳位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非理想流場下的多聲道超聲流量計聲道布置方法，其特征在于，設(shè)管道內(nèi)徑為R，離散步長選取 為0.0lR0
全文摘要
本發(fā)明屬于流量測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種非理想流場下的多聲道超聲流量計聲道布置方法，包括針對待測非理想流場，進行三維建模和計算，獲得流量計內(nèi)部任一網(wǎng)格節(jié)點處的三維速度值；將流量計處的管道橫截面離散化，利用多條弦線將管道直徑等分成多份，則每條弦線上的三維線平均速度為弦線上各節(jié)點三維速度沿弦線的積分除以弦長，總的線平均速度為三維線平均速度在流動方向上投影速度的疊加；定義區(qū)域流動方程，該方程表示被各弦線分割的區(qū)域內(nèi)流量占流過管道橫截面總流量的權(quán)重，根據(jù)Gauss積分理論，求解為聲道布置的最佳位置。本發(fā)明能夠使得各聲道位置及相應(yīng)的權(quán)系數(shù)能夠與被測非理想流場相匹配，降低測量誤差。
文檔編號G01F1/66GK103074873SQ20131005058
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者鄭丹丹, 張濤, 趙丹 申請人:天津大學(xué)