水中雜質(zhì)對超聲波熱量表測量精度影響規(guī)律的研究.pdf

1、伴隨全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。推行供熱計(jì)量改革是避免能源浪費(fèi)，減少污染排放的重要舉措。熱量表是供熱計(jì)量的核心部件，根據(jù)建設(shè)部《供熱計(jì)量技術(shù)規(guī)程》，在測量過程中必須達(dá)到規(guī)定的精度。超聲波熱量表是利用超聲波原理來測量流量及顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)所釋放或吸收熱能量的儀表，具有準(zhǔn)確性好、量程大、壽命長和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。然而，我國供熱水質(zhì)較差，水中雜質(zhì)濃度高時(shí)造成超聲波熱量表的測量精度降低，影響使用壽命。因此，基于超聲波傳

2、播原理和基表內(nèi)流場特性，研究水流雜質(zhì)對超聲波熱量表測量精度的影響規(guī)律，對提高超聲波熱量表計(jì)量精度和壽命具有重要的意義。
　　聲波在含雜質(zhì)水流中傳播涉及聲場、流場、固相場等多物理場的耦合，致使聲波傳播規(guī)律更加復(fù)雜。本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對不同基表通道結(jié)構(gòu)的超聲波熱量表中含雜質(zhì)水流的流動特性進(jìn)行研究。通過理論分析獲得水中雜質(zhì)引起的超聲波衰減特性，搭建標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺測定超聲波熱量表在含雜質(zhì)水流中的測量精度，從而驗(yàn)證

3、采用兩相流模型數(shù)值模擬計(jì)算的正確性，進(jìn)而通過數(shù)值模擬計(jì)算方法獲得超聲波熱量表基表通道內(nèi)雜質(zhì)分布特性和雜質(zhì)對超聲波傳播規(guī)律的影響。全文主要工作如下:
　　第一，采用理論分析的方法對聲波在含雜質(zhì)水流中傳播規(guī)律進(jìn)行研究。從速度分布、溫度變化、流動擾動、噪聲及檢測手段等方面給出了雜質(zhì)對超聲波熱量表測量精度的影響因素。在此基礎(chǔ)上，對聲波在含雜質(zhì)水中的衰減機(jī)理展開了分析，主要包括波的吸收、散射和擴(kuò)散。結(jié)合雜質(zhì)的沉積對聲波反射的影響，系統(tǒng)分析了

4、含雜質(zhì)水流對超聲波熱量表檢測精度的影響因素。
　　第二，對超聲波熱量表測量含雜質(zhì)水流的誤差規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，搭建熱量表流量檢定試驗(yàn)臺，選取純凈水，供熱水、不同濃度的碳酸鈣濁液及黃泥濁液作為水質(zhì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢型熱量表測量不同水質(zhì)時(shí)在不同流量的測量誤差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究了不同種類雜質(zhì)和濃度在不同流量下對誤差的影響規(guī)律，并采用示波器記錄不同誤差對應(yīng)的超聲波波形。運(yùn)用聲衰減理論分析不同濃度和粒徑的雜質(zhì)引起的能量衰減規(guī)律，指出超聲波波形變化對測

5、量結(jié)果的影響。
　　第三，對超聲波熱量表基表內(nèi)含雜質(zhì)水流流動進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。采用兩相流模型對超聲波熱量表基表內(nèi)的流場特性、雜質(zhì)在超聲波傳播路徑上的分布特點(diǎn)及超聲波反射而附近的雜質(zhì)分布情況分別進(jìn)行研究，流體連續(xù)相采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，固體顆粒采用離散相模型進(jìn)行追蹤。采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證本文所建立的兩相流模型的正確性。通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果獲得傳播路徑上的線速度和基表內(nèi)中心截面的面平均速度，從而獲得流量系數(shù)k，研

6、究不同粒徑雜質(zhì)在不同流量對流量系數(shù)k產(chǎn)生的影響;通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果獲得傳播路徑上的顆粒濃度，以及顆粒濃度隨流量的變化情況，分析超聲波傳播路徑上雜質(zhì)的分布規(guī)律及雜質(zhì)在不同流量情況下的沉積規(guī)律，結(jié)合超聲波傳播特性分析雜質(zhì)對測量誤差的影響。
　　最后，采用上述建立的兩相流模型對Ⅴ型超聲波熱量表測量含雜質(zhì)水流時(shí)基表流場展開研究。考慮其反射面為水平面，雜質(zhì)容易沉積，在反射區(qū)域前加裝渦流發(fā)生器，在反射區(qū)域上方產(chǎn)生較強(qiáng)的漩渦，起到剝離反射區(qū)域

7、雜質(zhì)，清洗反射面的效果。通過數(shù)值計(jì)算對加裝渦流發(fā)生器前后雜質(zhì)分布情況進(jìn)行對比，獲得加裝渦流發(fā)生器后的流場特性和對顆粒分布的影響規(guī)律，進(jìn)一步分析該措施對提高測量精度的有效性。
　　本文基于離散相模型對超聲波熱量表基表內(nèi)含雜質(zhì)水流流動進(jìn)行模擬，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型選用的正確性。通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，獲得了U型超聲波熱量表在含有不同雜質(zhì)水流時(shí)的流動特性，分析了不同濃度不同粒徑的雜質(zhì)顆粒在不同流量對測量精度產(chǎn)生的影響，揭示了U型超聲波熱