基于气体超声流量测量的流场－声场耦合机理研究

Gas ultrasonic flowmeter is recognized as the most suitable for natural gas custody transfer at home and abroad. Because our study started late, the entire application market is almost dominated by foreign products. In order to promote flow measurement technology of gas ultrasonic flowmeter in China, considering measured physical quantity, flow-acoustic coupling problem in measurement process is going to be studied. Firstly, ray tracing theory in ray acoustics is introduced as an important research tool. The key parameters and Gaussian beam models which affect its accuracy are discussed respectively. Combined with acoustic measurement and real flow experiments, a ray tracing method suitable for gas ultrasonic flow measurement is proposed. Secondly, with this method, kinematics and dynamics characteristics of ultrasound propagation in different velocities and flow patterns are studied, which can reveal interaction mechanism of flow field and sound field. Thirdly, the impact of this interaction on ultrasonic flow measurement is analyzed, and then optimizations of sensor structure and flow computation model of transit-time flowmeter are obtained. Finally, real flow experiments are carried out to verify the optimizations. Research results will provide new ideas and solutions for design, manufacture and evaluation performances of ultrasonic flowmeters.

气体超声流量计是目前国际公认的天然气贸易计量首选仪表，因我国对其研究起步较晚，整个应用市场几乎被国外产品所垄断。为推动我国气体超声流量测量技术的发展，本课题从被测物理量本质出发，研究测量过程中的流场－声场耦合问题。引入射线声学中的射线追踪理论作为重要研究手段，对影响其计算精度的关键参数和高斯束模型进行深入分析，结合声学测量和实流实验相互验证，获得适用于气体超声流量测量的射线追踪方法；在此基础上，研究不同流速、流态下超声波传播的运动学和动力学特征，从而揭示流场－声场相互作用机理；进而讨论两场耦合规律对超声流量测量的影响，提出对传感器结构和时差法流量计算模型的优化方案，并通过实流实验进行验证。研究结果将为超声流量计的设计、制造以及测量性能的评估提供新的研究方法和解决思路。

气体超声流量计广泛应用于天然气贸易计量，确保其流量测量精度对于贸易交接、节能减排具有重要意义。然而在实际应用中，由于管道内气体流速往往达到30m/s甚至更高，相比空气中的声速340m/s，量级相差不多，这会导致超声传播轨迹偏离直线，无论是对接收信号幅值还是超声传播时间的测量均会产生影响，从而降低了气体超声流量计的测量精度。因此，本课题从被测物理量本质出发，研究超声波流量测量的全过程，重点分析流场对超声波传播及声场造成的影响及规律，从而指导传感器结构设计及流量测量模型的优化。具体开展的研究工作包括：（1）基于射线声学理论研究了获得超声波传播轨迹及时间的射线追踪方法，重点讨论了声源及时间步长的设置方案，利用该方法对比了理想湍流速度分布及非理想单弯头流场下超声波传播轨迹、传播时间、轨迹偏移量等参数随流速、流态的变化规律。并通过实际计算各参数，优化了经典超声流量测量模型；（2）基于波动声学理论提出了高斯束改进方法，可以获得不同流场下的声场信息。通过对经典高斯束方法中声速项、角频率项以及声压相位三个参数的修正，成功将流场信息引入高斯束方法中，从而使其适用于流动介质中声场的计算。在通过实验验证方法可行性的基础上，对比分析了理想流动与非理想流动（探头影响、流场分布影响）时超声流量计内部声场的分布规律，揭示了流-声耦合机理；（3）为验证声场计算及对传感器优化、流量测量模型改进的可行性和准确性，分别开展了声学测量和实流测试实验。借助激光振动测量仪对真实超声换能器表面振速进行测量，利用传声器对换能器辐射声场进行测量，为流声耦合计算方法的验证奠定基础；设计并实现了DN50和DN100单声道以及DN50双声道气体超声流量测量系统，将互易性理论融入电路设计中，有效降低了流量计的零点误差和零点漂移。基于测量系统开展了实流实验，验证了传感器设计和测量模型优化的有效性，最终流量测量精度在0.5m/s-35m/s流速范围内达到1%。所有成果将有助于推动我国气体超声流量计研究技术的发展，为其设计、制造以及测量性能的评估提供理论依据。