[发明专利]一种充液管道中泥沙含量检测的方法

权利要求书

1.一种充液管道中泥沙含量检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立含泥沙的充液管道模型，根据模型的位移与势函数的关系、应力与势函数的关系以及充液管道界面的边界条件，推导出该模型中导波的频散方程；

2)对导波的频散方程进行分析，得出模型下的声速表达式；

3)通过有限元仿真软件仿真得出理论上不同泥沙含量对应的理论频散曲线，理论频散曲线表示了理论上不同泥沙含量与不同声速的对应关系；

4)通过仪器设备对被测管道进行实际测量，向被测管道激发超声导波获得实测数据，从实测数据中确定实际频散曲线；

5)将实际频散曲线与理论频散曲线进行对比，判断与实测的声速相对应的理论泥沙含量即为实测泥沙含量；

所述步骤1)的推导出该模型中导波的频散方程，具体为，

将模型的位移场u分解为标量势φ和矢量势H，并且为拉普拉斯算子，则得式(1)，

只考虑纵向轴对称模态，则矢量势H的径向分量和轴向分量均为0；

只保留矢量势H的轴向分量H_θ，且该轴向分量H_θ为r、z和t的函数，r为半径，z为径向方向，t为时间，则得式(2)，

其中，c₁为介质的纵波波速；

令f(r)为方程解，h(r)为方程解，i为虚部，k为复波数，ω为频率；

将式(3)代入式(2)进行求解，则得式(4)，

其中，A₁为待求系数，A₂为待求系数，α为纵波波数差，为汉克尔函数，为汉克尔函数，B₁为待求系数，B₂为待求系数，β为横波波数差，为汉克尔函数，为汉克尔函数；

由此可得充液管道的径向位移u_r为式(5)，

其中，为汉克尔函数，为汉克尔函数；

利用胡克定律，可得相应的位移分量为式(6)，

其中，σ_rr、σ_rz分别为充液管道界面上的法向应力与切向应力，μ为介质拉美常数，μ_r为法向位移，μ_z为切向位移；

当波在非粘性充液管道中传播时，位移场上标f表示液体；

其中，φ^f＝CJ₀(α^fr)exp[i(kz-ωt)] (7)，C为待求系数，J₀为贝塞尔函数；

根据式(7)，求解u^f、

充液管道界面的边界条件为式(8)，

其中，a为充液管道的内半径，b为充液管道的外半径，上标p表示管道；

将式(6)和式(7)推导求得的应力和位移表达式代入式(8)得到一组非线性方程，根据方程组有解条件，得到该模型中导波的频散方程；

其中，方程组有解条件为该方程组的系数行列式为零。

2.根据权利要求1所述的一种充液管道中泥沙含量检测的方法，其特征在于：所述有限元仿真软件为Matlab软件。

3.根据权利要求1所述的一种充液管道中泥沙含量检测的方法，其特征在于：所述仪器设备包括超声信号发生器和信号采集器，所述超声信号发生器从被测管道的一侧激发纵向超声导波的L(0，2)模态，所述信号采集器从被测管道的另一侧进行信号采集而获取实测数据。

4.根据权利要求3所述的一种充液管道中泥沙含量检测的方法，其特征在于：所述实测数据为时域波形，对时域波形采用小波分析得到实际频散曲线。

5.根据权利要求4所述的一种充液管道中泥沙含量检测的方法，其特征在于：所述时域波形通过示波器提取接收，所述小波分析通过计算机完成。