1.流場仿真結(jié)果
計(jì)算得到的超聲波流量計(jì)探頭處流場如圖3所示,探頭附近存在旋渦。把探頭端面分別分為5個(gè)區(qū)域,以5個(gè)區(qū)域的中點(diǎn)M、U、D、L、R作為計(jì)算依據(jù),分別提取5條連線上的流速分布，比較不同區(qū)域的流速變化，如圖4所示。各個(gè)點(diǎn)與中心M的距離為3.9mm。
圖4中橫坐標(biāo)表示聲道方向探頭面與聲道中心的距離;縱坐標(biāo)表示聲道方向的流速,A至B方向流速為正;R區(qū)域與L區(qū)域流速分布相同;Ref是指參考位置即未受到探頭擾流處,壁面連線之間的區(qū)域。探頭A的D區(qū)域和探頭B的U區(qū)域流場有明顯的速度變化，這是因?yàn)樵谔筋^安裝孔處形成了旋渦,流速在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)變化最為劇烈,而且相對(duì)流場而言，安裝孔內(nèi)的旋渦方向和大小并不相同;M區(qū)域和L區(qū)域處的流場相類似,受旋渦影響較小。
2.聲場仿真結(jié)果
圖5展示了探頭A發(fā)射超聲波時(shí),超聲波的傳播過程。在探頭A、探頭B的壁面處,超聲波發(fā)生了反射,反射信號(hào)和原信號(hào)相互疊加,造成了接收面聲壓的不對(duì)稱,進(jìn)而影響傳播時(shí)間的測量。探頭B接收聲壓的分布情況如圖6所示,聲壓在接收面上非均勻分布,在接收面上分布-一個(gè)低壓區(qū),低壓區(qū)中心位于中心偏下游的位置。
圖7為超聲傳播過程中不同位置聲壓振幅的分布情況,其中位置1~位置5已在圖5(a)中標(biāo)注,統(tǒng)計(jì)的是聲波經(jīng)過該位置的聲壓變化的振幅。在探頭A處的壁面反射造成了發(fā)射聲壓分布的畸變,在傳輸過程中逐漸減少了它的影響,所以探頭B所接收的聲壓主要受到B處壁面反射的影響,在探頭B附近低壓中心從上游逐漸向下游移動(dòng)。
3.傳播時(shí)間及流速計(jì)算
由于旋渦和璧面反射的影響,靠近超聲波流量計(jì)探頭邊緣區(qū)域的聲壓曲線存在一定畸變。探頭B不同區(qū)域接收的聲壓與平均聲壓的關(guān)系如圖8所示。其中實(shí)線代表平均聲壓,虛線代表M區(qū)域處的聲壓變化。聲波傳播過程中,受到不同聲波傳播路徑和壁面反射的影響,接收面不同位置,接收聲壓幅值與過零點(diǎn)有明顯的區(qū)別。M區(qū)域處聲壓曲線幅值略高于平均聲壓曲線、過零點(diǎn)與平均聲壓曲線接近;U區(qū)域和D區(qū)域處聲壓曲線過零點(diǎn)與平均曲線有較大差異。 
由于探頭不同區(qū)域聲壓變化曲線的差異,采用平均聲壓曲線來計(jì)算時(shí)間差,平均聲壓的計(jì)算結(jié)果接近聲壓中心,而且有更好的穩(wěn)定性。探頭A、探頭B接收到的平均聲壓變化曲線如圖9所示,探頭A由于流體的減速作用收到波形略晚，兩個(gè)波形的相似度較高。利用互相關(guān)函數(shù)計(jì)算時(shí)差:
式中,y1(m)和y2(m)為探頭A、探頭B接收聲壓信號(hào);m為數(shù)據(jù)長度,由互相關(guān)理論，當(dāng)互相關(guān)函數(shù)取得最大值的時(shí)間位移,對(duì)應(yīng)的是兩波形之間的時(shí)差。對(duì)R(m)進(jìn)行優(yōu)化求解,假設(shè)在m0點(diǎn)處取得最大值,可以求得時(shí)差△t:
實(shí)際流量計(jì)測量時(shí),通常是通過正逆向傳播時(shí)間T1、t2去和時(shí)差△t計(jì)算流速,由于流速遠(yuǎn)小于聲速u0<<C0,可以進(jìn)一步得到:
式中,L為聲道長度。將△t代人到式(5)中,可以解得聲道方向的平均流速V'm。聲場仿真計(jì)算中,△t=1.986x10-7s,L=113.0mm,求得V'm=I.928m/s。
對(duì)比管道流場計(jì)算結(jié)果,對(duì)聲束范圍內(nèi)流速取平均值,求得V'm=1.934m/s,未受到超聲波流量計(jì)擾流區(qū)的聲道方向平均流速Vm=2.247m/s,求得聲場和流場計(jì)算的系統(tǒng)偏差E分別為一14.2%和-12.5%。兩者的差異體現(xiàn)了壁面反射對(duì)修正系數(shù)的影響。
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