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基于超声成像技术的非透明管道内流体速度场测量

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 流体速度测量技术的研究现状

1.3 超声成像测速技术的研究现状

1.3.1 超声成像测速技术的发展

1.3.2 超声成像测速技术尚待解决的问题

1.4 本论文的研究内容

1.5 本章小结

第二章 超声成像测速技术的原理及应用

2.1 超声成像测速技术的测速原理及系统组成

2.1.1 超声成像测速技术的系统组成

2.1.2 超声成像测速技术中超声探头简介

2.2 超声成像测速技术测速原理

2.2.1 超声成像测速技术的图像获取过程

2.2.2 超声成像测速技术的速度场提取算法

2.3 超声成像测速技术的关键技术

2.3.1 示踪粒子浓度的选择

2.3.2 速度场提取算法优化

2.4 本章小结

第三章 超声成像测速技术误差修正模型

3.1 超声成像测速技术的成像过程模拟

3.1.1 超声成像测速技术参数简介

3.1.2 超声成像测速技术扫描过程模拟方法

3.2 超声成像测速技术测速误差的影响因素分析

3.2.1 超声扫描方向引起的误差研究

3.2.2 流体速度与超声扫描速度比值引起的误差研究

3.2.3 加速度引起的误差研究

3.3 超声成像测速技术测速误差的理论分析

3.3.1 稳态流场超声成像过程误差分析

3.3.2 匀加速流场超声成像过程误差分析

3.4 超声成像测速技术测速误差修正模型的建立

3.4.1 稳态流场的误差修正

3.4.2 非稳态流场的误差修正

3.5 本章小结

第四章 基于交替采样方式的超声成像测速技术

4.1 超声成像测速技术的测速动态范围概述

4.1.1 超声成像测速技术的测速上限

4.1.2 超声成像测速技术的测速下限

4.1.3 超声成像测速技术的高流速测量缺陷

4.2 超声成像测速技术的测速上限提高方法

4.2.1 交替超声成像测速技术的基本原理

4.2.2 交替超声成像测速技术的图像解耦过程

4.2.3 交替超声成像测速技术的粒子偏移量的优化

4.3 交替超声成像测速技术的测速过程模拟

4.3.1 交替超声成像测速技术的成像过程模拟原理

4.3.2 流体速度小于超声扫描速度时交替超声成像测速技术的速度测量

4.3.3 流体速度大于超声扫描速度时交替超声成像测速技术的速度测量

4.4 交替超声成像测速技术的速度场的修正模型

4.4.1 流体速度小于超声扫描速度时修正结果

4.4.2 流体速度大于超声扫描速度时修正结果

4.5 本章小结

第五章 超声粒子图像测速技术的实验研究

5.1 实验原理及实验系统

5.1.1 超声成像测速技术实验原理

5.1.2 超声粒子图像测速技术的实验系统

5.2 示踪粒子浓度的选择

5.3 非透明管道内流体速度场的实验测量

5.4 超声成像测速技术的技术速度测量误差的实验验证

5.4.1 超声成像测速技术测速误差的实验验证

5.4.2 超声成像测速技术的速度修正模型的实验验证

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的主要学术成果

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摘要

传统接触式速度测量方法仅能对流场进行单点测量,而且测量过程中测速探针需要与待测流场进行充分接触,容易对测量区域内的流体流动产生干扰,增大测量误差。这些缺陷限制了其在瞬态流场和二维速度场测量中的应用。因此,发展具有高精度、高分辨率的非侵入式速度场测量技术,具有重要的学术研究价值和工程应用前景。 超声成像测速技术作为一种新兴的速度场检测工具,其克服了接触式测量对流场的破坏和光学粒子测速技术只能测量透明管道内流体速度场的不足,实现了非透明管道内流体二维和三维速度场的实时在线非侵入测量。然而该技术在诸如临床血液流和工业非透明管内流速度场检测等场所应用时还存在两个关键技术瓶颈:(1)现有超声成像测速技术只能获得低流速条件下的速度场分布;(2)超声成像测速技术存在的测量误差较大。为此,本文基于对超声成像机理的分析,通过数值仿真和实验研究,对超声扫描效应引起的测速误差进行定量描述,并建立满足在线测量、快速收敛的速度修正算法,实现超声成像测量流体速度的误差修正。为提高超声成像测速技术的动态测速范围,本文提出了一种基于交替采样的超声成像测速技术,实现了高流速工况下非透明管道内流体速度场的测量。通过本文研究,得到以下主要研究结论: (1)超声成像测速技术中超声图像是通过超声声束逐条扫描待测流场,再将示踪粒子的背向散射信号组合在一起而形成的。因此,这种超声扫描效应造成不同扫描线之间采样时间不同,导致速度测量结果产生误差。超声扫描方向、超声扫描速度与流体流动速度的比值、流体流动加速度皆可能导致超声成像测速结果产生误差。 (2)超声声束扫描与流体流动之间的方向关系是影响超声成像测速测量误差的重要因素。超声成像测速技术中当超声声束扫描方向与流体流动方向相同时,速度测量值大于真实值,而当超声扫描方向与流体流动方向相反时,速度测量值小于真实值。超声扫描方向一定时,超声成像测速技术所得速度测量误差随着流体流动速度与超声扫描速度比值的增加而增大。超声扫描速度与流体流动速度比值一定时,超声扫描方向和流动方向相同时的速度测量误差高于方向相反时的测量误差。因此,当流体流动方向已知时,反向扫描结果更加接近真实值。 (3)对于非稳态流动,除了超声扫描方向、超声扫描速度与流体流动速度的比值等超声扫描效应会引起速度测量误差外,流体流动加速度也会产生速度测量误差。在相同加速度条件下,随着采样时间的增加(即在超声粒子图上位置的增加),超声成像技术所得速度误差增加;不同加速度工况下,超声成像测速技术所得速度误差,随着流体流动加速度的增加而增大。 (4)为减少超声成像测速误差,本文提出层流流场和匀加速流场中速度测量误差的修正公式,并将该公式应用于模拟结果的修正中。研究结果表明,对于层流流场和匀加速流场经速度模型修正后的速度测量值与速度真实值吻合。另外,为提高超声成像测速的动态测速范围,本文提出了基于交替采样的超声成像测速技术。并且,该技术与本文所建立的误差修正模型相结合可实现流体流动速度高于超声扫描速度的流体速度场的测量。 (5)本文设计搭建了一套超声成像测速实验台,研究了超声成像测速技术中超声扫描效应(超声扫描方向、超声扫描速度与流体流动速度的比值)所引起的速度测量误差。将所建立的速度修正模型应用于实验测量结果修正,所得修正结果与理论预测值吻合,从而实验验证了本文所提出的速度修正模型的正确性。

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