中文摘要：

超声波流量计已广泛应用于工业流量计量中，大量待测工况处于层流和充分发展的湍流之间的广义过渡区内，其测量精度取决于面、线平均速度之间的关系式，目前过渡区的这种关系式尚无人给出。本项目拟对圆管过渡区内流体的流速特性进行研究。采用自编程方法实现圆管过渡区内流动N-S方程的直接求解(DNS)；针对圆管内流动的不同流量点进行一系列数值计算，通过流场分析获得从层流至充分发展的湍流之间广义过渡区范围内的面、线平均速度关系式；然后通过多普勒测速仪测量圆管某些流量点的面、线平均速度，进而验证数值计算所得到的关系式的正确性。最后通过数值计算方法分析流体温度变化对面线平均速度之间关系式的影响。本项目的研究结果可以有效提高超声波流量计的测量精度，为相关问题的研究提供理论依据，有深远的理论意义与广阔的应用前景。

结论摘要：

圆管过渡区流动范围内的面—线平均速度关系及其流速特性，在进行流量测量的计量器具领域应用广泛。如超声波流量计，影响其测试精度的主要因素为超声波传播路径上的平均流动速度与圆管截面平均速度的关系，此关系被定义为k系数。传统的研究对于层流和完全湍流都已有相应的k计算方法。而对于过渡区范围内的面—线平均速度关系，尚没有合适的k计算方法，对此的研究尚属空白。在实际应用中，大量的待测工况均处于过渡区范围内。因此，对于圆管过渡区范围内面—线平均速度关系，即k系数的研究具有重要的科学意义和应用价值。 本项目采用数值模拟计算和PIV实验方法来对圆管Re=2000—20000范围内的流动进行了研究，获得了圆管过渡区范围内面—线平均速度关系，给出了相关规律，具体有 通过PIV测试系统对圆管Re=2000—20000范围内的广义过渡区流动进行了测量分析，研究了不同入射角度情况下圆管内面—线平均速度关系，给出了超声波传播路径上的k随着雷诺数变化曲线，建立了相应的数学模型。 采用标准k-ε模型、大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)对圆管内的流动进行了计算。在数值模拟过程中，利用Fortran90语言编写了DNS计算程序，采用混合三步Runge-Kuga／Crank-Nicholson格式实现了时间离散，采用守恒格式的中心差分实现了空间离散，所用算法具备二阶时间精度。计算结果表明LES模型和DNS获取的流场速度分布与PIV实验数据相吻合。分别使用LES模型和DNS方法研究了过渡区内面—线平均速度关系。 对支架式的U型反射装置的DN20超声波流量计进行了实验研究，通过实验证实该超声波流量计过渡区内k系数的变化规律与研究中得到的圆管过渡区面—线平均速度关系曲线的变化规律吻合，本研究创建的数学模型对超声波及类似流量装置的设计提供了重要的理论依据。 针对超声波换能器与水的接触面上以及信号反射面上颗粒物堆积影响测量精度这一问题，设计引入了涡发生器，它可以使流场在超声波反射区域产生漩涡，冲刷壁面，消除反射区域的微小的颗粒或者气泡。采用标准k-ε模型对涡发生器的作用进行了模拟计算，并通过与实验值的对比给出了最佳安装位置和倾斜角度。 本研究项目为超声波流量计或其他流量有关的装置的设计和提高测量精度提供了理论依据，具有重要的理论意义和应用价值。