高压CO2声速测量及精密流体声速测量系统研制

摘要

CO2是最重要的温室气体，CO2捕集与封存技术（CCS）中需要对CO2的物性进行准确了解。同时，CO2在工业领域也有着良好的应用前景，工程设计及系统优化也需以 CO2精确的热物性为基础。声速是最基本和可测量精度最高的热物性参数之一，也是导出其他热物性参数的关键数据。海水的声速是海水的关键物性参数之一，海水声速的高准确度测量与精细表征是利用海洋声学进行探测的重要前提，建立一套精密流体声速测量系统对建立基于直接法测量的海水声速仪校准装置具有重要的意义。
　　本文所开展的研究内容如下：
　　（1）对实验室已有的定程圆柱声学法声速实验装置进行了改进，将其最高测压能力从6MPa提高至10 MPa，在此基础上精确测量了温度范围为303K~353K、压力范围为1 MPa~10 MPa的CO2声速。所测量的CO2声速实验结果与CO2国际标准状态方程计算的声速相对偏差分布在0.01％-0.03%，与当前仅有的一套高精度实验数据具有良好的一致性，CO2声速测量结果的相对标准不确定度在压力小于5 MPa时为0.007%，压力高于5 MPa时为0.009%(k=1)。
　　（2）基于差分飞行时间法建立了一套可直接测量高压液体声速的实验装置，自主设计和研制了双超声腔体，建立了精密声速测量系统、高压液体充注系统、精密压力和温度测量系统以及数据采集和分析系统。
　　（3）在基于飞行时间法所建立的系统上，开展了温度范围为303 K~353 K，压力范围为2 MPa~10 MPa的纯水声速测量研究，检验本文实验系统的可靠性。所测量的纯水精密声速实验结果与纯水国际标准状态方程计算声速的相对偏差分布在-0.05%至0.02%，与其他纯水声速的高精度实验数据具有良好的一致性，声速测量结果的相对标准不确定度为0.018%(k=1)，验证了本文新建实验系统的可靠性，同时为后续开展其他液体如海水、新型燃料等工质的精密声速测量奠定了重要基础。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究的发展现状

1.3 研究内容、目的与意义

2 定程圆柱法声速测量系统改进与CO2声速实验结果

2.1 气相声速测量的实验原理

2.2 定程圆柱法声速测量系统

2.3 共鸣腔有效尺寸的标定

2.4 CO2声速结果

2.5 CO2声速数据分析

2.6 本章小结

3 差分飞行时间法声速测量系统的研制与测试

3.1 液体声速的实验原理及数据处理方法设计

3.2 测量系统设计双超声腔体设计

3.3 双超声腔体设计

3.4 压力仓设计

3.5 测量系统

3.6 自动控制系统的实现

3.7 本章小结

4 水的声速实验结果与分析

4.1 实验流程

4.2 纯水声速测量结果

4.3 分析与讨论

4.4 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表的论文目录