1.1 研究背景
温度、压力和流量并称为工业生产中的三大测量参数，其中流量参数在含有流体介质的工业生产中是必须要进行测量的基本参数，流量的测量和流量状态的的监测在工业生产中的位置一直都很重要[1]。工业生产的各个领域、生产环节都离不开流量计量技术。在石油天然气生产中，流量计量始终贯穿着石油天然气的开采、运输、加工、贸易结算等全部过程，我国提出的“一带一路”的发展战略中建立完成了多条油气管道，整个环节中需要大量的流量计进行流量的测量和运输过程中管道的流量状态监测[2-4]。化工工业生产中，化工比重配料过程需要精确的流量测量来保证产品的质量，化工生产管道系统在工作过程中经常会发生故障造成整个产线无法正常工作，检测管道流量是否异常可以有效对故障进行检测和定位提高生产效率。工业生产中大型液压设备比较多见，在液压管路中，利用流量计来监测液压系统中流量的异常，能提早发现液压系统的机械故障，可以减少不必要的损失。流量计作为工业生产中精确测量和管道系统的流量状态监测就显得不可或缺了，寻找一种结构简单、使用和维护方便、价格便宜、对管道内流体干扰较小且受流体状态限制较少的流量计就显得特别重要了。伴随工业技术的不断发展，流量测量技术也是在不断进步中，各式流量计被各大流量仪表制造公司、各大学和一些其他的科研机构设计并大量化生产[5]。依据工业生产中各个领域的不同需求，各式流量计都在其领域发挥其各自的特性，为了满足各个领域的不同需求发挥它们在每个领域的优势，就会产生与之对应的流量测量原理[6-8]。根据流量测量原理，流量计一般分为：差压式流量计、转子流量计、容积式流量计、涡街式流量计、电磁式流量计、超声流量计、管外加热非侵入式流量计、激光流速仪和科里奥利流量计等；根据流量计不同的安装方式，又可分为侵入式、非侵入式和粘附式流量计等。流量计各类划分方式的差别凸显出了流量测量原理的多样化和流量计应用的广泛性[9-11]。
..........
1.2 非侵入式流量测量原理的研究现状
非侵入式流量计，也可称为非插入式流量计，在结构上是指不在管道内部加入节流件或运动件，而通过其他物理原理实现管道流量的测量。非侵入式流量计测量方法在测量过程中具有很多优势，如减少流体介质种类、浓度、黏度等的限制，减少压损等。近年来，非侵入式流量计的研究一直处于比较热门的阶段，不管是高校还是流量计生产厂家都对这类流量计做了很大的研究。现在使用广泛的流量测量原理、测量方法主要是：利用流体运动产生的力与流体质量关系、流量和热、量损失关系、流体流动过程中声波信号速度差的方法、流体流过弯管时离心力造成的内外侧压力差法、电磁感应定理法等，对应这些方法设计制造完成的流量计有：科里奥利式质量流量计、管外加热非侵入式流量计、超声波式体积流量计、弯管体积流量计和电磁式体积流量计等。下面通过对这几种非侵入式流量计的研究现状和其测量原理的优缺点来对现有非侵入式流量测量方法做一个分析。科里奥利式(科氏)质量流量计(图 1.1)的设计原理是利用流体在弯管流动过程中会产生一种与质量流量成正比的科氏力设计出的质量流量计。科氏质量质量流量计首先由美国提出，至今美国在科氏质量流量计行业一直处于领先地位。我国在科氏流量计的研发、生产上起步较晚，合肥工业大学在近年来对科氏质量流量计做了很多的研究，在提高科氏流量计的测量精度、稳定性等性能上有很多的成果，国内对科氏质量流量计的研究也一直紧追国际研究的步伐，现在很多性能要求较高的科氏质量流量计国内也能够自己生产了[14-15]。
........
2 非侵入式质量流量测量原理的理论分析
2.1 流量测量原理的基础理论
物体在外部载荷的作用下，物体本身发生变形的同时内部产生的用来抵抗物体变形的力，称为内力。应力是单位面积上内力的平均集度，应力可以分解成垂直于截面的应力分量称为正应力，应力分解成切于截面的应力分量称为切应力也可称为剪应力。应力是矢量，也就是既有大小又有方向，并且与力作用点的位置和通过这一作用点的截面方向有关。正应力符号σ，单位 Pa；剪应力符号τ，单位 Pa。物体形状的改变即为物体形变，物体的形变可以分为长度的改变和角度的改变。物体单位长度的伸缩是正应变，符号为ε；物体单位角度上的变化为切应变也可称为剪应变，符号为γ；正应变和剪应变是度量物体一点处变形的量度的基本量，由于数值很小，所以单位一般取为μ[43]。物质一般分为三态，即固态、液态和气态。管内或设备中仅有三相中的一相流动，则称为单相流动。伴随着单相流的存在，有两相流和多相流等存在的情况。两相流是指两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统，多相流是指流动系统中物质的相态多于两个的情况。考虑到本次问题的工况并不复杂，同时也是为了简化分析过程，故选择单相流模型进行分析计算，既能提高计算效率同时计算结果也能够满足分析需要。单向流是沿单一方向呈平行流线并且与气流方向垂直的断面上风速均匀的气流。与水平面垂直的叫垂直单向流，与水平面平行的叫水平单向流。单向流主要是表明流体介质流动的方向问题，充分考虑整个测量原理的分析要求，结合应力分析过程中力的方向要求，本文选择流体介质单向流动，并整篇文章中流体方向不变保持方向一致。
........
2.2 测量原理的力学模型综合应力分析
管道结构在生活生产中一直应用比较广泛，主要用在给水排水工程、日常生活供暖、工业上的石油与天然气等化石原料等的长距离运输、农业生产灌溉以及各种过程控制工业装置和化工生产中。管道运输结构简单、运输方便相对成本较低是现代工业生产中不可缺少的运输设备。为了保证管道系统的稳定与安全等因素，管道结构设计技术越来越被人们重视，并且在这些方面取得了很大的进展，管道的应力、应变分析与计算方法、结构设计技术比较成熟。管道模型在各种不同的载荷作用下产生的应力、力矩和应应变等方面都有了很多的成果，故针对本文中流体管道力学模型的建立就更容易实现。依靠近年来科研人员对管道模型问题的研究与积累，给我提供了很多的在管道力学模型问题建立的经验，帮助我简化了管道力学模型，方便了后续的力学分析，奠定了整个非侵入式流量计测量原理能实现的基础[44]。管道模型在受到管内压力、外部载荷、不同情况的约束等载荷作用下以及处于不同环境温度时受热、受冷都会使管道模型在工作状态下发生弹性变形。对应力进行分类时，需要考虑应力的属性，然后按照这个力在作用到物体上时，物体对这个力产生具体响应进行相应的定义。管道上的受到的应力主要可以分为三大类：一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力是指在外部施加的荷载作用下产生的应力。一次应力是非自限性的，这就导致，一次应力会随着外部施加的载荷而变化，但是若外部载荷超过了材料的屈服极限，管道变形就超出了弹性变形的范围得到了塑性变形，管道变形就不能被恢复了致使管道被破坏。二次应力主要是在管道受热、受冷或者是位移受到了约束的限制的情况下的应力。二次应力不同于一次应力，其具有自限性，二次应力不会直接和外部力进行自动平衡。若载荷超过了材料的屈服极限，管道发生的塑性形变和处于屈服条件下的部分管道共同迫使管道应力下降，但是应变最后需要到达一个比较稳定的平衡状态，就会迫使管道上的应力重新分布。
............
3 非侵入式流量测量原理的模型仿真分析
3.1 ANSYS Workbench 软件的介绍......22
3.2 流固耦合方法的介绍与模型搭建.............24
3.3 流体动力学模型仿真............30
3.4 静力学模型结构仿真............38
3.5 实验台模型的求解计算与结果分析..........43
3.6 本章小结..........48
4 非侵入式测量原理实验分析
4.1 应变测量系统的搭建............49
4.2 应变采集系统的参数设置与调试..............54
4.3 实验数据的采集.........56
4.4 实验数据结果与分析............57
4.5 大管径下测量原理的数值模拟仿真..........59
4.6 本章小结..........60
5 总结与展望
5.1 总结.......62
5.2 展望.......63
4 非侵入式测量原理实验分析
为了进一步对理论分析和仿真分析结果进行验证，故设计了本次管道流量实验。通过上一章仿真分析结果求解出的应变值可以看到应变值变化较小，为了验证在现实工业生产中是否可以采集到应变的微弱信号，关系到该测量原理是否能够推广到工业生产中应用，也是需要实验进行测试。
4.1 应变测量系统的搭建
考虑到实验的整个需要，首先需要流量计对整个管道流量进行流量测量、流量标定等；然后管道模型有一定的跨度，有利于管道受外载产生应变；还要求整个管道模型系统有调节阀能有效控制整个系统的流量；综合以上三个主要因素，结合实验室现有条件选择管道流量实验台。实验室环境温度 20℃，气压为 1atm，故实验所用液体水的密度为 998.2 kg/m3。以过程控制拆装实验台为本次实验的实验设备，依靠仿真结果中应变最大值点的仿真点位置进行应变片的粘贴；为有效消除实验过程中振动、温度等因素的干扰将应变片连接方式改为全桥连接于静态应变仪，全桥连接可使测量结果更线性且准确性更高。连接好测量电路后，手动调节流量控制阀开度来调节流量，不断改变流量控制阀开度以改变管路流量，并通过管路系统的中流量计进行流量的标定，待流量阀流量值稳定后，记录应变仪数据。
总结
流量计在工业生产中对流量测量和流量状态检测的应用的大环境下，分析了现有流量计市场各种非侵入式流量计的原理及其
