非理想流场大口径多声道超声流量检测机理及模型建立

大口径多声道超声波流量计近几年在我国如西气东输、南水北调等一批大工程中广泛应用。但由于管径巨大，受现场空间以及铺设管道成本等限制，超声波流量计的前后直管段长度常常无法满足安装要求，从而影响了测量精度。本课题以提高大口径多声道超声波流量计在非理想流场下的测量性能为目标，开展其检测机理研究。拟采用实验流体力学热线测速、计算流体力学仿真和实流实验相结合方法，通过建立三维流态模型，揭示非理想流场流态演化规律；探索基于流态分布的最佳声道布置方式和流量数值积分方法，阐明多声道超声流量检测机理，建立流量测量模型；探讨流态自识别方法和流态自诊断指标。研究结果将为一类复杂流场下多声道超声流量测量模型的建立与预测提供借鉴依据。

超声流量计凭借非接触测流、造价基本与被测管道口径大小无关、精度高、量程比宽、安装方便等优点，广泛应用于工业现场的液体、气体流量计量。而在使用过程中，往往由于安装空间以及铺设管道成本等限制，超声流量计的安装常常无法满足所要求的前后直管段长度，从而影响了测量精度。特别是大口径流量测量时，该问题尤为突出。为提高超声流量计在非理想流场下的测量性能，本项目对典型非理想流场流态特征进行了研究，通过对单弯头下游流场进行数值仿真，获得了流态分布与下游位置的对应关系，基于信赖域牛顿法建立了三维流态模型，并提出了基于流态模型研究超声流量计流场适应性的方法；在对流场特征深入分析的基础上，提出了基于流态分布的多声道超声流量计流量数值积分优化方法，解决了现有流量测量模型与非理想流场不匹配的问题，同时获得了最佳声道布置位置和权系数。通过与Gauss-Jacobi，OWICS方法的仿真和实流实验对比，验证了优化方法能够明显改善非理想流场超声流量计的测量性能；此外，超声探头附近的流场也属于非理想流场，探头插入管内位置也与测量精度息息相关。项目组通过数值仿真和实流实验相结合，对比分析了DN100和DN500两种口径下探头插入深度对测量的影响，定量给出了声道数目、探头插入深度、测量面布置方式对测量误差的影响规律，揭示了探头对流场扰动机理，提出了估算测量误差的简化模型，并通过实验进行了验证；为建立非理想流场流动特征与测量误差的对应关系，提出了流场不对称性AR指标和横向流CF指标，通过划分诊断指标阈值区间实现了流态自诊断。研究成果为超声流量计的优化设计、非实流标定、现场应用均提供了理论依据。