[发明专利]一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及利用超声波进行流速测量技术领域，具体涉及一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备。

背景技术

经典力学中，流体流动可由纳维斯托克斯方程进行描述。但是作为非线性的偏微分方程组，纳维斯托克斯方程精确解的计算非常困难。特别在湍流、脉动流等复杂流态下，求解复杂度会进一步提高。因此，诸如汽车、飞机风洞试验，输送管道流态及流量监测等工程问题的解决以及流体力学理论研究的推进都依赖于高精度实验结果的获取。流体速度场作为描述流动特征的基本物理量，它的精确测量具有尤为重要的意义。

针对管道内流场的测量，目前已有的方法包括皮托管测速仪、热丝风速仪、激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪和基于超声波的流场测量技术等。其中，皮托管测速仪和热丝风速仪属于插入式测量方法，会对流场产生干扰。而激光多普勒测速仪和粒子图像测试仪虽然避免了插入式测量，但需要待测流体中存在指示流体运动的示踪粒子，并且仅适用于透光性良好的流体。此外，皮托管测速仪、热丝风速仪和传统的激光多普勒测速仪均属于单点测量，欲获得整个流场的流速信息需布置众多测量点。

基于超声波的流场测量技术是根据流速对超声信号频率或传播时间的调制作用实现的，属于非插入式测量的方法，而且没有对流体透光性的苛刻要求。根据声信号的传播方式，超声流场测量技术可以分为散射式超声流场测量技术和直射式超声流场测量技术两类。散射式超声流场测量技术通过测量声波由微粒散射产生的多普勒频移或多次测量过程中微粒反射回波的时间偏移，获取流体中特定微粒的运动速度。通过获取声道不同位置的微粒运动速度，便可得到管道内的一维流速分布。散射式超声流场测量技术要求待测管段中包含液滴、气泡、粉尘等随流体运动的散射微粒，并且流速的测量结果对颗粒运动方向较为敏感，需进行校正。

直射式超声流场测量技术首先利用时差式传播速度差法获取多个声道的线平均流速，再通过参数模型法或层析成像法得到管道截面上的二维轴向流场分布。相比于散射式超声流场测量技术，直射式超声流场测量技术可实现流场的二维测量，并且可同时适用于纯净流体和非纯净流体，减少了对散射微粒的要求。

文献[1]中，E.Mandard等人提出了一种理论参数模型，可以描述包含一个或两个极点的非对称轴向流场，并利用12个探头搭建了包含18个声道流场探测网络，利用各声道的流速信息确定理论模型中的参数，从而获取管道截面的流速分布。参数模型法测量轴向流场时，仅需少量声道的流速信息，对硬件要求低，但只能对特定类型的流场实现较好的表征。

文献[2]中，Sutham Teerawatanachal等首次利用层析成像法对管道内轴向流场进行了测量。首先利用时差式超声流速测量原理获取不同倾角和径向偏移的多组声道的线平均流速，得到轴向流场在多个方位的投影数据，再利用层析成像算法由投影数据重建真实流场。为探测流场，他们设计了一种可旋转探测管段，在管道上、下游分别安装1个发射换能器和7个接收换能器，每次测量可同时获得7个声道的流速信息，通过手动调整管段探测角度，完成对管道截面的全方位扫描。但机械旋转的存在会干扰原始流场，同时导致流场的探测周期很长，只适合测量缓变或稳定的流场。

文献[3]中，Deddy Kurniadi等人提出了一种包含16个换能器的探头布置方案，在上下游相距管径D的两个截面上分别安装8个发射换能器和8个接收换能器，16个换能器在周向呈等角间距分布，通过控制发射时序快速测量各声道的平均流速。但他们的声道布置方案在管道中心附近存在探测盲区，致使重构的轴向流场在中心处存在明显缺陷。各声道仅能获得单向传播的超声信号，流速测量结果受声速温漂的影响。同时，他们通过选用低频超声探头的方式来满足探测方案对探头发散角的要求，降低了各声道超声信号传播时间的测量精度。

[1]E Mandard,D Kouame,R Battault,J P Remenieras,F Patat,Methodology for developing a high-precision ultrasound flow meter and fluid velocity profile reconstruction,IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2008,55(1):161-172