CN116698141B - 一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法及系统 - Google Patents
一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法及系统，属于超声波流量计技术领域。首先是输入多重影响因素（初始流速、管径和流体种类）的范围值矩阵，自动更改模拟初始条件，判断层流湍流，更改几何模型结构，划分网格，求解速度剖面，获得不同条件下的超声波主路径，然后利用修正公式模拟超声波测量值，与实际流速值进行对比，获得不同条件下，修正公式的准确度，判断修正公式使用条件，并自动实现后处理，得到可视化的修正数据和对比结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法及系统，属于超声波流量计技术领域。
背景技术
超声波流量计由于其具有安装方便、管径适应性强等优点得到了广泛的使用，目前对于高量程超声波流量计在高精度方面仍然存在一些问题，需要加强研发和技术改进，提高仪器的精度和稳定性。
具体来讲，超声波流量计的测量精度受到多种因素的影响，如流体介质的速度分布、流体密度、温度、管道壁面等，国内部分高量程超声波流量计对这些因素的影响未能进行充分考虑，导致其测量精度较低，达不到高量程流量计应有的精度要求。受限于测量原理：时差法超声波流量计是利用超声波在流体中传播的速度差来测量流量的，因此在测量不同流体介质时可能会存在一定的误差。对于这个问题，需要进行充分的实验和研究，以找到适合不同流体介质的测量方法和参数设置。
传统的采用时差法测速的超声波流量计在处理接收数据时因为未考虑超声波传播时路径受到流体流速剖面的影响，对这一现象的忽略使得测速结果存在误差，目前精确的测量方法是使用在速度剖面影响下的真实路径来测量流速。
在不同管径、不同流体工质和不同初速度的条件下，流体在管道中的速度剖面会有所差别，且对于层流和湍流流动的速度剖面也会存在较大的差别。为修正误差，使用Ansys或Comsol等商用仿真软件对管径中的超声波传播过程进行仿真，但每次仿真仅仅能获得一种管径、一种初速度的速度剖面和声波传播路径，并不能对圆管的管径自动进行修改，也不能对初速度进行修改，更不能自动的更改流体工质，因此，如果要探究不同管径、不同流体和不同初速度对超声波传播过程的影响，需要大量重复的调试工作。换句话说，如果要探究初速度的范围为1~100 m/s和管径范围为20~200 mm对超声波传播的影响，在初速度的改变步长是1 m/s，管径的改变步长是1 mm情况下，如果使用Ansys或Comsol商业软件需要对18000个案例进行单独调试，如果再加入其它因素，案例的数量将是成倍的增长，仿真重复性工作极高，难以为时差法超声波流量计的测量修正提供足够的仿真数据支撑。为此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法及系统，首先是输入多重影响因素（初始流速、管径和流体种类）的范围值矩阵，自动更改模拟初始条件，判断层流湍流，更改几何模型结构，划分网格，求解速度剖面，获得不同条件下的超声波主路径，然后利用修正公式模拟超声波测量值，与实际流速值进行对比，获得不同条件下，修正公式的准确度，判断在哪些条件下可以不使用修正公式，在哪些条件下必须使用修正公式来减小误差，并自动实现后处理，得到可视化的修正数据和对比结果。
本发明的技术方案如下：
一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法，步骤如下：
（1）全脚本自动化处理，输入不同的工况参数矩阵，Python程序自动判断流态并输出到相应流态的计算模块；
（2）形成计算域：开源CFD程序自动形成超声波流量计圆管几何模型，确定圆管各个部分的计算域；
（3）生成并加密相应部分网格：对超声波流量计圆管几何模型各个部分的计算域使用开源CFD程序进行自动网格划分处理，得到各个部分相应的网格；
（4）获取流动速度剖面数据：层流模块中，调用开源CFD程序中的层流模型，将给定工况参数写入到该层流模型当中，模拟该工况下的层流流体流动情况，得到相应的层流速度剖面数据；湍流模块中，调用开源CFD程序中的湍流k-ε模型，将给定的湍流工况参数写入到该湍流模型当中，模拟该工况下的湍流流体流动情况，得到相应的湍流速度剖面数据；
（5）自动拟合速度剖面线：完成速度剖面数据的处理，利用Python程序提取速度剖面数据并利用多项式函数拟合得到二维速度剖面曲线；
（6）建立开源CFD程序与Python程序中的射线追踪法的关联；
在Python中对非侵入式超声波流量计45°安装角下的上游和下游分别实现射线追踪法，射线追踪法划分的每个时间步位置超声波速度与步骤（5）所得速度剖面曲线相结合，区分上游和下游，既独立又相互联系，得到超声波的真实传播情形；
（7）数据后处理，评估判断测速精度修正情况：对于后处理，采用Python进行数据信息修正和可视化处理，得到了上游和下游的参数，包括平均传播角、传播时间、传播路程、偏离间距、修正速度、标准线速度与传统测速等精细化数据，可视化处理得到速度剖面、传播路径对比、实际路径与标准线偏差对比等可视化结果，获得超声波流量计在圆管中不同工况下的测速修正评估模型。
根据本发明优选的，步骤（1）中，工况参数矩阵，包括初始流速、管径和流体种类三组数据范围的排列组合，根据输入参数判别流态，依据雷诺数公式对流态进行判别，式中：v表示流体流速，m/s；D表示管道内直径，m；γ表示流体的运动粘度，m2/s；
若雷诺数Re小于3000，则该流动为层流；若Re大于3000，则该流动为湍流。
根据本发明优选的，步骤（2）中，具体的，
识别输入的尺寸参数，对圆管的管径和长度进行标定，得到对应的几何模型；
生成相应计算域：对圆管进行封闭化处理，将圆管进口和出口封闭处理，得到的封闭模型即为圆管整体计算域；
对不同地方作不同划分处理：对圆管模型进行拆分，得到圆管近壁处和中心处；
对圆管近壁处，厚度按照近壁处占管径的1/6厚度进行封闭，长度即为管长，划分出圆管的近壁处计算域；
对圆管中心区域，直径按照中心处占管径的2/3进行封闭，长度即为管长，划分出圆管的中心处计算域。
根据本发明优选的，步骤（3）中，具体的，对圆管近壁处的计算域进行网格绘制处理，得到网格a；
对圆管中心区域的计算域进行网格绘制处理，得到网格b。
根据本发明优选的，步骤（4）中，对于层流采用层流模型，基于Navier-Stokes方程的流体力学方程，具体包括连续性方程和动量方程，入口采用速度边界条件，出口得到y方向的层流速度数据，式中：ρ：表示流体的密度，kg/m³；v：流体的速度矢量，m/s；▽·（ρv）：密度与速度的乘积的散度，描述质量流动的变化，kg/(m³·s)；dv/dt：速度矢量随时间的变化率，m/s²；▽P：压力梯度，表示压力在空间中的变化率，Pa/m；μ▽ 2 v：粘性力对速度梯度的作用，其中μ是流体的动力黏度；Pa·s，ρg：表示重力项，描述了重力对流体运动的影响，F：表示其他外部力的合力项，如施加在流体上的体力或表面力，它们对流体动量的分布产生影响；
对于湍流采用k-ε模型，描述湍流流动中湍动能(k)和湍动耗散率(ε)的分布，该模型基于雷诺平均概念，将湍流流动中的速度和湍动特性分解为平均分量和涨落分量，湍流k-ε模型的基本方程包括两个方程：湍动能方程和湍动耗散率方程：
湍流动能方程：
k方程描述了湍动能的输运和生成消耗的过程，其一般形式为：
其中，：湍动能k随时间的变化率；
：湍动能k的输运项，表示k随流速的空间变化率；
：湍动能k的湍流动力粘度项，表示由于湍动引起的能量扩散；
Pk：湍动能k的产生项，表示湍动的能量注入或生成过程；
ε：湍动能k的耗散率，表示湍动能的耗散过程；
湍动耗散率方程：
ε方程描述了湍动耗散率的输运和消耗的过程，其一般形式为：
其中，：湍动耗散率随时间的变化率；
：湍动耗散率的输运项，表示随流速的空间变化率；
：湍动耗散率的湍流动力粘度项，表示由于湍动引起的耗散率的扩散；
：湍动耗散率的生成项，与湍动能的产生有关；
：湍动耗散率的耗散项，表示湍动能耗散导致的耗散率增加。
这两个方程是湍流k-ε模型的核心方程，通过参数化的方式考虑了湍流中的湍动能产生和湍动耗散的影响，模型中的其他参数和修正项用于更准确地描述不同流动条件下的湍流行为，结合初始流动条件和网格划分，得到该模型下的湍流出口速度剖面数据。
运用CFD（控制方程：连续性方程：；动量方程：；k-ε方程）求解，通过开源程序求解这四个方程，获得每个网格点上的速度数据，这是计算流体力学技术的基本理论。
根据本发明优选的，步骤（5）中，将得到的速度剖面数据利用Python中的numpy模块的多项式函数拟合功能，通过调整函数次数，精确拟合为二维多项式函数速度剖面曲线。
根据本发明优选的，步骤（7）中，超声波在圆管中传播时，其受到速度剖面不均匀的影响，会发生非线性偏移，本发明采用Python实现射线追踪法结合不同工况下速度剖面对超声波流量计测速进行修正，具体包括：
获取上游和下游初始参数，包括初始位置、初始传播角、传播时间步长、超声波在介质中传播速度等，导入Python的结合程序中，进行迭代模拟，实现射线追踪法与剖面的结合；
其中，射线追踪法在Python中实现过程为：超声波传播在某一时刻的横向位置x：，式中：i：表示在i时刻；x：表示超声波在横向上的传播位置；c：表示超声波在流体工质中的传播声速；α：表示超声波传播方向与水平方向的夹角；v i ：表示流体速度剖面在i时刻下传播位置处沿着流体传播方向下的速度；/>：表示超声波传播微小时间步长；
超声波传播在某一时刻的纵向位置y：，式中：i：表示在i时刻；y：表示超声波在纵向上的传播位置；
超声波传播在某一时刻的角度α：；
传播路程：，式中：i：表示在i时刻；S：表示超声波传播的总路程；N：表示超声波传播所消耗的时间步长次数；
传播时间：，式中：t：表示超声波传播所消耗的总时间。
射线追踪法中的速度v i 由第i位置被测流体的流速与超声波在流体工质中的传播速度矢量合成；
平均传播角通过求解过程中的每个传播角求均值得来：；
最终修正速度为：，式中，下标d代表下游参数，下标u代表上游参数，β表示上游和下游的平均传播角，/>；
标准线测速对应的路径为实际路径的起点与终点连线，即标准线，传统测速对应的路径为流量计发射接收端连线，即定位线。
后处理自动可视化，由Python程序生成修正的相关传播数据以及可视化速度剖面、传播路径对比与实际路径与标准线偏差对比等可视化结果；通过修正程序处理得到上游和下游的参数，包括平均传播角、传播时间、传播路程、偏离间距、最终修正速度、标准线速度与传统测速等精细化数据，其中，
偏离间距为：，式中，x T表示超声波实际传播路径的最终落点横向位置；x O表示超声波定位线路径的落点横向位置；
标准线速度为：，式中，v st 表示根据标准线测出的速度；L st表示超声波传播的标准线长度；β st表示超声波传播标准线与水平线的夹角；下标d和u分别表示下游和上游；
传统测速为：，式中，L表示定位线长度；β表示定位线与水平位置夹角；下标d和u分别表示下游和上游。
一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正系统，包括：
获取模块，用于获取工况参数矩阵，根据输入参数自动判别流态，导入相应的开源CFD程序，进行几何建模得到各个部分的计算域；
网格划分模块，用于对各个部分的计算域分别进行网格划分处理，得到相应各个部分的网格，并导入开源CFD对应流态模块中；
流态模拟模块，用于通过开源CFD程序对层流或是湍流进行模拟，然后利用Python程序拟合得到速度剖面线；
测速修正模块，用于使用Python程序将得到的流体速度剖面各点速度与射线追踪法划分的每个时间步位置超声波速度相结合，区分上游和下游；
可视化模块，由Python程序生成修正的相关传播数据以及可视化速度剖面、传播路径对比、实际路径与标准线偏差对比等可视化结果，获得超声波流量计在圆管中不同工况下的测速修正模型；
测速评估模块，通过批量处理得到不同工况下的测速数据，根据测速速度、测速精度等指标对不同的测速方法进行对比，获得不同工况范围下使用的合理测速方法及测速效果。
本发明的有益效果在于：
1、本发明全自动化实现高效计算。现有技术对于流量计实验测量和仿真都需要消耗很大的工作量，本发明很好的解决了需要批量处理仿真案例的这个麻烦的问题。自动识别输入工况参数矩阵（初始流速、管径和流体种类），根据输入参数自动判别流态，并导入相应的程序；开源CFD程序由指定工况自动生成流量计传播管道模型以及网格自动划分处理；开源CFD程序自动根据不同的流动模型运行模拟得到相应的速度剖面数据；获得的速度剖面数据在Python程序中自动拟合为二维多项式函数曲线；由Python程序自动生成上游和下游对应的射线追踪法，并与速度剖面相结合；Python程序自动求解超声波流量计中流体流动和超声波传播的相关修正结果。
2、本发明建立模型-划分网格-模拟求解一体化。之前的仿真计算需要人工从建模画网格到跑模拟一步步的操作，本发明程序化的将这三个流程合并在一起。只要输入相应参数，程序自动生成各区域模型与网格，并进行模拟得到速度剖面数据，进一步拟合出函数曲线。
3、本发明准确修正速度剖面对测速带来的误差并且给出实际测量与修正测量的对比，判断修正效果。以前的超声波流量计在测量时一是存在较大的物理误差，二是无法判断测量的准确性，让人难以对测量数据进行深化处理，本发明给出较为准确的测量结果以及各种测量方法的对比，便于对测量数据的信任处理。对超声波传播在Python区分上游和下游进行模拟，上游和下游程序各自设计，既具独特性又兼相互联系的特性。流量计模型为45°安装角的非侵入式安装模式；对于上游和下游设计的不同之处主要在于初始传播位置及初始传播角度不同，因此考虑到此问题进行了程序调整；对于上游和下游追踪法的设计，初始值调整时间步长控制修正精度，求解过程结合速度剖面，在每个位置流体速度不同，对超声波的速度矢量和传播路径进行修正求解；成功修正速度剖面的影响所带来的测速误差。给出了修正测量和利用“标准线”测量以及定位线测量的对比，可以自行判断数据测量的准确性。
4、本发明形成了直观性强的超声波主波束路径，来为超声波流量计的安装提供指导方案。现有的超声波流量计大多只是提供一个最终测速值，本发明可提供关于测量的较为全面的数据及可视化图像。Python射线追踪法与开源CFD速度剖面求解进行后处理，对于后处理采用Python进行了数据信息修正并且进行了可视化处理，得到了上游和下游的参数如平均传播角、传播时间、传播路程、偏离间距，以及最终修正速度、标准线速度、传统测速等精细化数据；可视化处理得到速度剖面、传播路径对比、实际路径与标准线偏差对比等可视化结果；其中标准线是指上游和下游超声波传播起点与最终的实际落点之间的连线；其中与标准线的偏差对比采用了实际路径与标准线各点之间的距离来表示；以获得超声波流量计在圆管中不同工况下的测速修正模型。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明进行修正的圆管中非侵入式45°单声道超声波流量计结构剖面示意图；
图3是超声波路径非线性偏移示意图；
图4是本发明实施例的上游和下游路径对比图，其中，图4中的（a）为下游路径图，图4中的（b）为上游路径图；
图5是本发明实施例的上游和下游路径偏移图，其中，图5中的（a）为下游路径偏移图，图5中的（b）为上游路径偏移图；
图6是本发明实施例的速度剖面线图；
图7是本发明实施例的不同速度下游路径对比图，图中纵坐标y表示圆管纵向位置，横坐标x表示圆管横向位置；
图8是本发明实施例的不同速度下游路径偏差图；
图9是本发明的超声波流量计自动化修正技术路线图；
图10是本发明的网格划分示例图，其中，图10中的（a）为40mm管道直径的网格划分图，图10中的（b）为70mm管道直径的网格划分图，图10中的（c）为85mm管道直径的网格划分图，图10中的（d）为100mm管道直径的网格划分图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-3所示，本实施例一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法，步骤如下：
（1）全脚本自动化处理，输入不同的工况参数矩阵，包括初始流速、管径和流体种类三组数据范围的排列组合，Python程序自动判断流态并输出到相应流态的计算模块，具体是依据雷诺数公式对流态进行判别，式中：v表示流体流速，m/s；D表示管道内直径，m；γ表示流体的运动粘度，m2/s；若雷诺数Re小于3000，则该流动为层流；若Re大于3000，则该流动为湍流。
（2）形成计算域：开源CFD程序自动形成超声波流量计圆管几何模型，确定圆管各个部分的计算域，具体的，
识别输入的尺寸参数，对圆管的管径和长度进行标定，得到对应的几何模型；
生成相应计算域：对圆管进行封闭化处理，将圆管进口和出口封闭处理，得到的封闭模型即为圆管整体计算域；
对不同地方作不同划分处理：对圆管模型进行拆分，得到圆管近壁处和中心处；
对圆管近壁处，厚度按照近壁处占管径的1/6厚度进行封闭，长度即为管长，划分出圆管的近壁处计算域；
对圆管中心区域，直径按照中心处占管径的2/3进行封闭，长度即为管长，划分出圆管的中心处计算域。
（3）生成并加密相应部分网格：对超声波流量计圆管几何模型各个部分的计算域使用开源CFD程序进行自动网格划分处理，得到各个部分相应的网格，对圆管近壁处的计算域进行网格绘制处理，得到网格a，对圆管中心区域的计算域进行网格绘制处理，得到网格b。
对于圆管道内部流场的网格划分，使用blockMesh 工具，并编写 blockMeshDict文件来定义圆管的二维几何形状和网格划分要求。程序中采用 simpleGrading对相关流体域进行网格加密，对于各个方向上的网格加密情况如下，考虑到边界层的影响，对y方向的网格做加密处理。boundary 部分定义了模型的三个边界类型：inlet、outlet 和 walls。网格划分完成，得到相应部分的网格，如图10所示，其中图10中的DN即管道直径，后面数字表示不同的管道直径数值，单位为mm。
（4）获取流动速度剖面数据：层流模块中，调用开源CFD程序中的层流模型，将给定工况参数写入到该层流模型当中，模拟该工况下的层流流体流动情况，得到相应的层流速度剖面数据；湍流模块中，调用开源CFD程序中的湍流k-ε模型，将给定的湍流工况参数写入到该湍流模型当中，模拟该工况下的湍流流体流动情况，得到相应的湍流速度剖面数据；
对于层流采用层流模型，基于Navier-Stokes方程的流体力学方程，具体包括连续性方程和动量方程/>，入口采用速度边界条件，出口得到y方向的层流速度数据，式中：ρ：表示流体的密度，kg/m³；v：流体的速度矢量，m/s；▽·（ρv）：密度与速度的乘积的散度，描述质量流动的变化，kg/(m³·s)；dv/dt：速度矢量随时间的变化率，m/s²；▽P：压力梯度，表示压力在空间中的变化率，Pa/m；μ▽ 2 v：粘性力对速度梯度的作用，其中μ是流体的动力黏度；Pa·s，ρg：表示重力项，描述了重力对流体运动的影响，F：表示其他外部力的合力项，如施加在流体上的体力或表面力，它们对流体动量的分布产生影响；
对于湍流采用k-ε模型，描述湍流流动中湍动能(k)和湍动耗散率(ε)的分布，该模型基于雷诺平均概念，将湍流流动中的速度和湍动特性分解为平均分量和涨落分量，湍流k-ε模型的基本方程包括两个方程：湍动能方程和湍动耗散率方程：
湍流动能方程：
k方程描述了湍动能的输运和生成消耗的过程，其一般形式为：
其中，：湍动能k随时间的变化率；
：湍动能k的输运项，表示k随流速的空间变化率；
：湍动能k的湍流动力粘度项，表示由于湍动引起的能量扩散；
Pk：湍动能k的产生项，表示湍动的能量注入或生成过程；
ε：湍动能k的耗散率，表示湍动能的耗散过程；
湍动耗散率方程：
ε方程描述了湍动耗散率的输运和消耗的过程，其一般形式为：
其中,：湍动耗散率随时间的变化率；
：湍动耗散率的输运项，表示随流速的空间变化率；
：湍动耗散率的湍流动力粘度项，表示由于湍动引起的耗散率的扩散；
：湍动耗散率的生成项，与湍动能的产生有关；
：湍动耗散率的耗散项，表示湍动能耗散导致的耗散率增加。
这两个方程是湍流k-ε模型的核心方程，通过参数化的方式考虑了湍流中的湍动能产生和湍动耗散的影响，模型中的其他参数和修正项用于更准确地描述不同流动条件下的湍流行为，结合初始流动条件和网格划分，得到该模型下的湍流出口速度剖面数据。
运用CFD（控制方程：连续性方程：；动量方程：；k-ε方程）求解，通过开源程序求解这四个方程，获得每个网格点上的速度数据，这是计算流体力学技术的基本理论。
（5）自动拟合速度剖面线：完成速度剖面数据的处理，将得到的速度剖面数据利用Python中的numpy模块的多项式函数拟合功能，通过调整函数次数，精确拟合为二维多项式函数速度剖面曲线；
（6）建立开源CFD程序与Python程序中的射线追踪法的关联；
在Python中对非侵入式超声波流量计45°安装角下的上游和下游分别实现射线追踪法，射线追踪法划分的每个时间步位置超声波速度与步骤（5）所得速度剖面曲线相结合，区分上游和下游，既独立又相互联系，得到超声波的真实传播情形；
（7）数据后处理，评估判断测速精度修正情况：对于后处理，采用Python进行数据信息修正和可视化处理，得到了上游和下游的参数，包括平均传播角、传播时间、传播路程、偏离间距、修正速度、标准线速度与传统测速等精细化数据，可视化处理得到速度剖面、传播路径对比、实际路径与标准线偏差对比等可视化结果，获得超声波流量计在圆管中不同工况下的测速修正评估模型。
如图2和图3所示，超声波在圆管中传播时，其受到速度剖面不均匀的影响，会发生非线性偏移，本发明采用Python实现射线追踪法结合不同工况下速度剖面对超声波流量计测速进行修正，具体包括：
获取上游和下游初始参数，包括初始位置、初始传播角、传播时间步长、超声波在介质中传播速度等，导入Python的结合程序中，进行迭代模拟，实现射线追踪法与剖面的结合；
其中，射线追踪法在Python中实现过程为：超声波传播在某一时刻的横向位置x：，式中：i：表示在i时刻；x：表示超声波在横向上的传播位置；c：表示超声波在流体工质中的传播声速；α：表示超声波传播方向与水平方向的夹角；v i ：表示流体速度剖面在i时刻下传播位置处沿着流体传播方向下的速度；/>：表示超声波传播微小时间步长；
超声波传播在某一时刻的纵向位置y：，式中：i：表示在i时刻；y：表示超声波在纵向上的传播位置；
超声波传播在某一时刻的角度α：；
传播路程：，式中：i：表示在i时刻；S：表示超声波传播的总路程；N：表示超声波传播所消耗的时间步长次数；
传播时间：，式中：t：表示超声波传播所消耗的总时间。
射线追踪法中的速度v i 由第i位置被测流体的流速与超声波在流体工质中的传播速度矢量合成；
平均传播角通过求解过程中的每个传播角求均值得来：；
最终修正速度为：，式中，下标d代表下游参数，下标u代表上游参数，β表示上游和下游的平均传播角，/>；
标准线测速对应的路径为实际路径的起点与终点连线，即标准线，传统测速对应的路径为流量计发射接收端连线，即定位线，如图3、图4中点划线所示。
后处理自动可视化，由Python程序生成修正的相关传播数据以及可视化速度剖面、传播路径对比与实际路径与标准线偏差对比等可视化结果；通过修正程序处理得到上游和下游的参数，包括平均传播角、传播时间、传播路程、偏离间距、最终修正速度、标准线速度与传统测速等精细化数据，其中，
偏离间距为：，式中，x T表示超声波实际传播路径的最终落点横向位置；x O表示超声波定位线路径的落点横向位置；
标准线速度为：，式中，v st 表示根据标准线测出的速度；L st表示超声波传播的标准线长度；β st表示超声波传播标准线与水平线的夹角；下标d和u分别表示下游和上游；
传统测速为：，式中，L表示定位线长度；β表示定位线与水平位置夹角；下标d和u分别表示下游和上游。
实施例2：
一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法，步骤如实施1所述，不同之处在于，
步骤（1）中，输入的工况参数为：流体初速度25m/s，粘度1.6×10-5m2/s，管径40mm，管长2800mm，依据雷诺数公式对获取的流动参数流态进行判别，雷诺数 Re大于3000，则该流动为湍流，后续程序采用湍流k-ε模型进行处理，导入相应的开源CFD程序。
步骤（3）中，对于圆管道内部流场的网格划分，将 x 和 y 方向上的网格长度设置为1 mm，y方向总长度为2800 mm，入口出口的圆直径相同，均为40 mm，考虑到边界层对计算结果的影响，程序中采用 simpleGrading对管壁区域进行网格加密，boundary 部分定义了模型的三个边界类型：inlet、outlet和 walls，网格划分完成，得到几何模型和流体域的网格。
步骤（5）中，将步骤（4）得到的速度剖面数据，利用Python中的numpy模块的多项式函数拟合功能，通过调整函数次数，最终示例调整为70次方，精确拟合为二维多项式函数速度剖面曲线，得到对应工况下的流体流动速度与横向位置的速度剖面高次函数关系式；同时调用Python程序对速度剖面进行可视化处理，得到对应工况下二维速度剖面线图像，见图6。
步骤（7）中，超声波在圆管中传播时其受到速度剖面不均匀的影响，会发生非线性偏移，采用Python实现射线追踪法结合示例工况下速度剖面对超声波流量计测速进行修正，具体包括：
获取上下游初始参数初始位置(0,0)(0.04,0.04)、初始传播角45°、传播时间步长10-9s、超声波在介质中传播速度340 m/s等初始参数，导入Python的结合程序中，开始迭代模拟，实现射线追踪法与剖面的结合；
通过修正程序处理得到上游和下游的参数，如表1所示，包括平均传播角、传播时间、传播路程、偏离间距、最终修正速度、标准线速度与传统测速等精细化数据，
表1：本实施例测速与传统测速的示例结果对比数据结果表
。
平均传播角为每一步长上的α求和取均值，传播路程对应图3中的S，偏离间距对应图3中的BC，标准线对应图3中的AC,定位线对应图3中的AB；图5中的两图对应于图3中的；
对比之下，采用本实施例取得的测速精准度高达99%以上，远高于标准线测速和传统测速，至于传统测速出现负值式是由于偏差太大，且路程成为大于速度的影响因子，导致下游传播时间大于上游而出现负值；
本发明可以很好的解决超声波流量计测速不准确的问题，对超声波流量计测速模型提供参考依据，进而实现测速更加精确准确化。
实施例3：
一种应用于实施例1的不同工况下超声波流量计的测速误差修正系统，包括：
获取模块，用于获取工况参数矩阵，根据输入参数自动判别流态，导入相应的开源CFD程序，进行几何建模得到各个部分的计算域；
网格划分模块，用于对各个部分的计算域分别进行网格划分处理，得到相应各个部分的网格，并导入开源CFD对应流态模块中；
流态模拟模块，用于通过开源CFD程序对层流或是湍流进行模拟，然后利用Python程序拟合得到速度剖面线；
测速修正模块，用于使用Python程序将得到的流体速度剖面各点速度与射线追踪法划分的每个时间步位置超声波速度相结合，区分上游和下游；
可视化模块，由Python程序生成修正的相关传播数据以及可视化速度剖面、传播路径对比、实际路径与标准线偏差对比等可视化结果，获得超声波流量计在圆管中不同工况下的测速修正模型；
测速评估模块，通过批量处理得到不同工况下的测速数据，根据测速速度、测速精度等指标对不同的测速方法进行对比，获得不同工况范围下使用的合理测速方法及测速效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法，其特征在于，步骤如下：
(1)全脚本自动化处理，输入不同的工况参数矩阵，判断流态并输出到相应流态的计算模块；
(2)形成计算域：形成超声波流量计圆管几何模型，确定圆管各个部分的计算域；
(3)生成并加密相应部分网格：对超声波流量计圆管几何模型各个部分的计算域进行自动网格划分处理，得到各个部分相应的网格；
(4)获取流动速度剖面数据：层流模块中，调用层流模型，将给定工况参数写入到该层流模型当中，模拟该工况下的层流流体流动情况，得到相应的层流速度剖面数据；湍流模块中，调用湍流k-ε模型，将给定的湍流工况参数写入到该湍流模型当中，模拟该工况下的湍流流体流动情况，得到相应的湍流速度剖面数据；
(5)自动拟合速度剖面线：完成速度剖面数据的处理，提取速度剖面数据并利用多项式函数拟合得到二维速度剖面曲线；
(6)对非侵入式超声波流量计45°安装角下的上游和下游分别实现射线追踪法，射线追踪法划分的每个时间步位置超声波速度与步骤(5)所得速度剖面曲线相结合，区分上游和下游，既独立又相互联系，得到超声波的真实传播情形；
(7)数据后处理，评估判断测速精度修正情况：对于后处理，进行数据信息修正和可视化处理，得到了上游和下游的参数，包括平均传播角、传播时间、传播路程、偏离间距、修正速度、标准线速度与传统测速，可视化处理得到速度剖面、传播路径对比、实际路径与标准线偏差对比，获得超声波流量计在圆管中不同工况下的测速修正评估模型；
具体步骤包括：
获取上游和下游初始参数，包括初始位置、初始传播角、传播时间步长、超声波在介质中传播速度，进行迭代模拟，实现射线追踪法与剖面的结合；
其中，射线追踪法实现过程为：超声波传播在某一时刻的横向位置x：xi+1＝(c cosαi+vi)Δt+xi，式中：i：表示在i时刻；x：表示超声波在横向上的传播位置；c：表示超声波在流体工质中的传播声速；α：表示超声波传播方向与水平方向的夹角；vi：表示流体速度剖面在i时刻下传播位置处沿着流体传播方向下的速度；Δt：表示超声波传播微小时间步长；
超声波传播在某一时刻的纵向位置y：yi+1＝(c sinαi)Δt+yi，式中：i：表示在i时刻；y：表示超声波在纵向上的传播位置；
超声波传播在某一时刻的角度α：
传播路程：式中：i：表示在i时刻；S：表示超声波传播的总路程；N：表示超声波传播所消耗的时间步长次数；
传播时间：t＝(N-1)·Δt，式中：t：表示超声波传播所消耗的总时间；
射线追踪法中的速度vi由第i位置被测流体的流速与超声波在流体工质中的传播速度矢量合成；
平均传播角通过求解过程中的每个传播角求均值得来：
最终修正速度为：式中，下标d代表下游参数，下标u代表上游参数，β表示上游和下游的平均传播角，/>
标准线测速对应的路径为实际路径的起点与终点连线，即标准线，传统测速对应的路径为流量计发射接收端连线，即定位线；
后处理自动可视化，生成修正的相关传播数据以及可视化速度剖面、传播路径对比与实际路径与标准线偏差对比；通过修正程序处理得到上游和下游的参数，包括平均传播角、传播时间、传播路程、偏离间距、最终修正速度、标准线速度与传统测速，其中，
偏离间距为：ΔL＝xT-xO，式中，xT表示超声波实际传播路径的最终落点横向位置；xO表示超声波定位线路径的落点横向位置；
标准线速度为：式中，vst表示根据标准线测出的速度；Lst表示超声波传播的标准线长度；βst表示超声波传播标准线与水平线的夹角；下标d和u分别表示下游和上游；
传统测速为：式中，L表示定位线长度；βtra表示定位线与水平位置夹角；下标d和u分别表示下游和上游。
2.如权利要求1所述的不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法，其特征在于，步骤(1)中，工况参数矩阵，包括初始流速、管径和流体种类三组数据范围的排列组合，根据输入参数判别流态，依据雷诺数公式对流态进行判别，式中：v表示流体流速，m/s；D表示管道内直径，m；γ表示流体的运动粘度，m2/s；
若雷诺数Re小于3000，则该流动为层流；若Re大于3000，则该流动为湍流。
3.如权利要求2所述的不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法，其特征在于，步骤(2)中，具体的，
识别输入的尺寸参数，对圆管的管径和长度进行标定，得到对应的几何模型；
生成相应计算域：对圆管进行封闭化处理，将圆管进口和出口封闭处理，得到的封闭模型即为圆管整体计算域；
对不同地方作不同划分处理：对圆管模型进行拆分，得到圆管近壁处和中心处；
对圆管近壁处，厚度按照近壁处占管径的1/6厚度进行封闭，长度即为管长，划分出圆管的近壁处计算域；
对圆管中心区域，直径按照中心处占管径的2/3进行封闭，长度即为管长，划分出圆管的中心处计算域。
4.如权利要求3所述的不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法，其特征在于，步骤(3)中，具体的，对圆管近壁处的计算域进行网格绘制处理，得到网格a；
对圆管中心区域的计算域进行网格绘制处理，得到网格b。
5.如权利要求4所述的不同工况下超声波流量计的测速误差修正方法，其特征在于，步骤(4)中，对于层流采用层流模型，基于Navier-Stokes方程的流体力学方程，具体包括连续性方程和动量方程/>入口采用速度边界条件，出口得到y方向的层流速度数据，式中：ρ：表示流体的密度，kg/m3；v：流体的速度矢量，m/s；▽·(ρv)：密度与速度的乘积的散度，描述质量流动的变化，kg/(m3·s)；dv/dt：速度矢量随时间的变化率，m/s2；▽P：压力梯度，表示压力在空间中的变化率，Pa/m；μ▽2v：粘性力对速度梯度的作用，其中μ是流体的动力黏度；Pa·s，ρg：表示重力项，描述了重力对流体运动的影响，F：表示其他外部力的合力项；
对于湍流采用k-ε模型，描述湍流流动中湍动能(k)和湍动耗散率(ε)的分布，湍流k-ε模型的基本方程包括两个方程：湍动能方程和湍动耗散率方程：
湍流动能方程：
k方程描述了湍动能的输运和生成消耗的过程，其一般形式为：
其中，湍动能k随时间的变化率；
湍动能k的输运项，表示k随流速的空间变化率；
湍动能k的湍流动力粘度项，表示由于湍动引起的能量扩散；
Pk：湍动能k的产生项，表示湍动的能量注入或生成过程；
ε：湍动能k的耗散率，表示湍动能的耗散过程；
湍动耗散率方程：
ε方程描述了湍动耗散率的输运和消耗的过程，其一般形式为：
其中,湍动耗散率ε随时间的变化率；
湍动耗散率ε的输运项，表示ε随流速的空间变化率；
湍动耗散率ε的湍流动力粘度项，表示由于湍动引起的耗散率的扩散；
CεlPk/k：湍动耗散率ε的生成项，与湍动能的产生有关；
Cε2ρε2/k：湍动耗散率ε的耗散项，表示湍动能耗散导致的耗散率增加；
湍动能方程和湍动耗散率方程是湍流k-ε模型的核心方程，通过参数化的方式考虑了湍流中的湍动能产生和湍动耗散的影响，模型中的其他参数和修正项用于更准确地描述不同流动条件下的湍流行为，结合初始流动条件和网格划分，得到该模型下的湍流出口速度剖面数据。
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