CN109100533B - 一种利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法，采用超声波声时法原理，利用超声波层析成像技术来实现。通过在叶栅通道内布置超声波传感器阵列，结合超声波信号同步扫描和接收装置，构建时差法超声波层析成像系统。当叶栅通道有气流流过时，超声波层析成像系统自动获取顺流、逆流状态下的超声波传播时间信号，并利用传播时间信号构建信号矩阵，最后利用重建算法反演得到叶栅内部叶片间的气流速度场。测量系统结构简单，方法可实现无损测量、在线测量，相比于其他探针式测量方式，测量过程中无需在流场插入探针，测量方法非接触，且不会对流场本身产生干扰。

Description

一种利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法

技术领域

本发明涉及一种流体测试技术，特别涉及一种利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法。

背景技术

流速测量是流体流动研究的基本要求之一。初期的流体力学研究采用管道平均流速法，通过计量一定时间内通过某个断面积的流体流量，换算流动速度，这无疑是不准确的，某些情况下(例如气体流动)甚至是不可能的。第一个准确的测量点流速的方法是“皮托管”法，根据伯努利定理，利用压力和速度的数量关系，通过测量某点的总压和静压，计算得到该点的流速。这种方法简单易行，但是空间分辨率低，同时皮托管的大小对流动有一定程度的“污染”，而且由于测压管路阻尼，只能测量稳态流动的流速，对非稳态流动是无能为力的。

叶栅通道内的气流流动是极其复杂的。除了高速和旋转这两个重要基本特征外，还存在各种复杂的流动现象。比如压气机内流动由于增压流动，会出现失速流动、并发展成喘振，危及机组的安全。燃气轮机燃烧室流动受热声震荡作用，可能发生爆震，破坏燃烧室的高温防护内衬。透平流动中，冷却工质喷射并与主流掺混，可能造成叶片局部热疲劳断裂。多级压气机和透平的动静叶片排之间的高速相对运动，可能发生气流诱导的叶片颤振，危及叶片安全等。这些问题的解决，都依赖于我们对相关流动现象的认识。只有在充分认识了流动规律后，才有可能主动控制相关流动，实现相应机组的高效安全可靠的运行。

目前,应用于叶栅通道气流速度场测量的非接触式方法多为基于示踪粒子的光学成像方法，尚未出现利用超声波层析成像技术测量叶栅通道气流速度场的报道。基于此，本发明提出一种利用超声波层析成像技术，基于超声波传播声时法原理测量叶栅通道内的气流速度，从而发明一种利用超声波测量叶栅通道内气流速度场的方法。

发明内容

本发明是针对现在叶栅通道内气流速度场测量方法存在的问题，提出了一种利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法，利用超声波层析成像技术，通过测量声波在气流顺流、逆流不同情况下的声时信号，并构建信号矩阵，利用重建算法反演得到叶栅内部叶片间的气流速度场，实现叶栅通道气流速度场无损测量方法。

本发明的技术方案为：一种利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法，具体包括如下步骤：

1)在叶栅通道内相邻叶片A和B上分别布置一排微型收发一体式超声波传感器，形成传感器阵列，传感器耦合层和叶片表面平齐；

2)计算机控制信号发生器发出触发脉冲，并由前置放大器进行触发脉冲功率放大，功率放大后的触发脉冲变成超声波激励脉冲，由多路选择开关控制接通传感器阵列中叶片A的某一路待激励超声波传感器，完成一次声波发射；传感器阵列中叶片B上的接收传感器也在多路选择开关控制下连接信号调理电路，进行信号放大、调理和甄别，并经采集卡送入到计算机中，完成传感器阵列中任一传感器的有效超声波渡越时间提取；

3)以扫描方式，叶片A上N个传感器依次发射声波，叶片B上N个传感器接收声波，完成传感器阵列中叶片A和B上的所有传感器有效超声波渡越时间提取，形成信号向量，实现N×N路径的顺流、逆流时间差值信号获取；

4)利用信号向量进行速度场重建，构建层析成像系统：在测量区内构建网格，叶片A和B之间的叶栅通道气流区域为测量区，其中每个网格交点作为节点D₁，D₂…D_N的速度分解为相互垂直方向，即x，y方向；静态流体中声速为V₀，流动引起的速度改变为ΔV，则对应总时差改变量ΔT为此声路径上每一网格时滞的积分量；在扫描过程中，叶栅叶片上布置的传感器对数为N，叶片A上N个传感器阵列依次发射声波发射为一次轮循，一次轮循可获得NxN条声路径上有效信号，并且每条路径的总时差该变量为路径上每个网格时滞的积分量，逐次完成N个传感器发射声波，获得NxN条路径上的有效信号采集；利用层析成像重建算法反演求解可得到气流速度场，气流速度场为反演得到的每个网格区域因气流流动带来的时差改变值组成。

所述每个网格区域因气流流动带来的时差改变值

其大小与气流流速和传感器之间距离相关，可表示为气流速度V与测量装置结构系数的乘积。

本发明的有益效果在于：本发明利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法，基于超声声时法原理测量叶栅通道内气流速度场的方法，测量系统结构简单，方法可实现无损测量、在线测量，相比于其他探针式测量方式，测量过程中无需在流场插入探针，测量方法非接触，且不会对流场本身产生干扰。

附图说明

图1为本发明叶栅通道内相邻叶片传感器阵列布置示意图；

图2为本发明利用超声波测量叶栅通道气流速度场系统原理示意图。

具体实施方式

利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法实现具体步骤如下：

1、如图1所示，在叶栅通道内相邻叶片A和B上分别布置一排微型收发一体式超声波传感器，形成传感器阵列，传感器耦合层和叶片表面平齐。

2、如图2所示，计算机1控制信号发生器2发出触发脉冲，并由前置放大器3进行触发脉冲功率放大，功率放大后的触发脉冲变成超声波激励脉冲，由多路选择开关4控制接通传感器阵列7中叶片A的某一路待激励超声波传感器，完成一次声波发射。传感器阵列7中叶片B上的接收传感器也在多路选择开关4控制下连接信号调理电路5，进行信号放大、调理和甄别，并经采集卡6送入到计算机1中，完成传感器阵列7中任一传感器的有效超声波渡越时间提取。

3、以扫描方式，叶片A上N个传感器依次发射声波，叶片B上N个传感器接收声波，完成传感器阵列中叶片A和B上的所有传感器有效超声波渡越时间提取，形成信号向量，实现N×N路径的顺流、逆流时间差值信号获取；

4、利用信号向量进行速度场重建，构建层析成像系统，在测量区Q(叶片A和B之间的叶栅通道气流区域)内构建一定数量网格，其中每个节点D₁，D₂…D_N(网格交点为节点)的速度可以分解为相互垂直方向，即x，y方向。按照时差法原理，两个方向的气流速度均会对超声传播时间产生影响，静态流体中声速为V₀，流动引起的速度改变为ΔV，则对应总时差改变量ΔT为此声路径上每一个网格时滞的积分量。在扫描过程中，一次轮循(叶片A上一个传感器一次声波发射，叶片B上N个传感器依次接收，那就有N条路径，叶片A上N个传感器依次发射，最终得到NxN条路径为一次轮循，从而实现N×N路径的顺流、逆流时间差值信号获取。)可获得NxN条声路径上有效信号，每条路径的总时差该变量都为路径上每个网格时滞的积分量，逐次完成所有路径上的有效信号采集。最后，利用层析成像重建算法反演求解可得到气流速度场，气流速度场为反演得到的每个网格因气流流动带来的时差改变值组成。

一个传感器一次声波发射，依次N个传感器接收，那就有N条路径，其中某一路径方向上可以写出声波在介质中时差一般形式：

其中，ΔT为某一路径方向上的总时差改变量(通过收发传感器、发射接收时间等可知)，

和

分别为此路径对应的发射器和接收器的位置(已知)，

为此声路径上某一网格区域因气流流动带来的时差改变值(所求)，l为此声路径总长(已知)。

考虑一次声波发射所有声路径方向有效信号，将积分方程离散化，可得到时差信号的线性方程组表达式：

其中，N为叶栅叶片上布置的传感器对数，其大小受叶片宽度、传感器尺寸、以及成像精度约束。M为叶栅相邻叶片之间划分网格的数量。其大小受叶栅相邻叶片之间距离的约束，

实质是气流在网格处流动而引起的声渡越时间差，其大小与气流流速和传感器之间距离相关，可以表示为气流速度V与测量装置结构系数的乘积。因此，可构造出一个未知数为网格节点处速度参数的线性方程组：

T_N×1＝S_N×M·V_M×1

其中，S为与测量装置结构和气流对象有关的敏感系数矩阵(通过正演模型设计)，V为测量区内网格节点处的速度参数，T为测量时得到的声时信号向量。方程的典型求解算法可以是Landweber迭代算法、Tikhonov正则化算法、牛顿-拉夫逊算法及共轭梯度算法等。

通过奇异值分解的算法能够获得稳定且可靠的解，同时具有收敛速度快的优点。此外，在实际问题时，亦可以通过截断奇异值分解实现降低矩阵维数，减小运算量、增大求解速度。

本发明基于超声声时法原理测量叶栅通道内气流速度场的方法，测量系统结构简单，方法可实现无损测量、在线测量，相比于其他探针式测量方式，测量过程中无需在流场插入探针，测量方法非接触，且不会对流场本身产生干扰。

Claims (2)

1.一种利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)在叶栅通道内相邻叶片A和B上分别布置一排微型收发一体式超声波传感器，形成传感器阵列，传感器耦合层和叶片表面平齐；

2)计算机控制信号发生器发出触发脉冲，并由前置放大器进行触发脉冲功率放大，功率放大后的触发脉冲变成超声波激励脉冲，由多路选择开关控制接通传感器阵列中叶片A的某一路待激励超声波传感器，完成一次声波发射；传感器阵列中叶片B上的接收传感器也在多路选择开关控制下连接信号调理电路，进行信号放大、调理和甄别，并经采集卡送入到计算机中，完成传感器阵列中任一传感器的有效超声波渡越时间提取；

3)以扫描方式，叶片A上N个传感器依次发射声波，叶片B上N个传感器接收声波，完成传感器阵列中叶片A和B上的所有传感器有效超声波渡越时间提取，形成信号向量，实现N×N路径的顺流、逆流时间差值信号获取；

4)利用信号向量进行速度场重建，构建层析成像系统：在测量区内构建网格，叶片A和B之间的叶栅通道气流区域为测量区，其中每个网格交点作为节点，记为D₁，D₂…D_N，每个节点的速度分解为相互垂直方向，即x，y方向；静态流体中声速为V₀，流动引起的速度改变为ΔV，则某一路径方向上的总时差改变量为ΔT，ΔT为对应此声路径上每一网格时滞的积分量；在扫描过程中，叶栅叶片上布置的传感器对数为N，叶片A上一个传感器一次声波发射，叶片B上N个传感器依次接收，叶片A上N个传感器依次发射声波，叶片A上N个传感器依次发射完为一次轮循，一次轮循可获得N× N条声路径上有效信号，并且每条声路径的总时差改变量为此声路径上每个网格时滞的积分量，逐次完成N个传感器发射声波，获得N× N条路径上的有效信号采集；利用层析成像重建算法反演求解可得到气流速度场，气流速度场为反演得到的每个网格区域因气流流动带来的时差改变值组成。

2.根据权利要求1所述利用超声波测量叶栅通道气流速度场方法，其特征在于，每个网格区域因气流流动带来的时差改变值

其大小与气流流速和传感器之间距离相关，可表示为气流速度V与测量装置结构系数的乘积。

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