Simulační studie externího klešťového ultrazvukového průtokoměru
Simulační studie vnějšíchupnout naultrazvukový průtokoměrzahrnuje modelování a simulaci pracovního principu a výkonu průtokoměru s cílem optimalizovat jeho konstrukci, zlepšit přesnost měření nebo vyhodnotit jeho výkon za různých provozních podmínek.
Numerické simulační modelování
Numerické simulační modelování se používá k vytvoření matematických modelů pro proudění tekutin a šíření ultrazvukových vln, včetně rovnic dynamiky tekutin a akustických rovnic. K modelování proudění tekutiny se používají nástroje Computational Fluid Dynamics (CFD). Tyto nástroje mohou simulovat turbulence, rozložení rychlosti proudění atd. a analyzovat dopad šíření ultrazvukových vln. Na základě CFD se provádí akustická analýza pro simulaci šíření a odrazu ultrazvukového signálu. K tomu lze použít akustický simulační software (jako je akustický modul v COMSOL Multiphysics). Analýza konečných prvků (FEA) struktury ultrazvukového senzoru se provádí za účelem pochopení jeho výkonu za různých podmínek. FEA pomáhá analyzovat vlivy tepelné roztažnosti, vibrací atd. na výsledky měření. Kontakt mezi snímačem a potrubím je v simulaci uvažován pro vyhodnocení jeho vlivu na přenos ultrazvuku.
Laboratorní ověřování a optimalizace
V laboratoři se pro skutečné měření průtoku používá průtoková zkušební stolice a výsledky jsou porovnávány s výsledky simulace pro ověření přesnosti simulačního modelu. Parametry simulačního modelu jsou upraveny na základě experimentálních výsledků pro zlepšení přesnosti predikce. Prostřednictvím simulace je optimalizována poloha snímače, návrh upínacího zařízení a způsob instalace, aby se zlepšila přesnost a stabilita měření. Po řádnémupněte na pokyny pro instalaci ultrazvukového průtokoměruje při tomto optimalizačním procesu zásadní, protože nesprávná instalace může výrazně ovlivnit přesnost měření. V simulaci jsou simulovány různé poruchové stavy (jako jsou bubliny, pevné částice), aby se vyhodnotil jejich vliv na výkon průtokoměru. Během experimentálního procesu je třeba zvážit fyzikální vlastnosti tekutiny (jako je teplota a tlak), protože tyto vlastnosti ovlivňují rychlost šíření ultrazvukových vln. Navíc šum a interference v reálném prostředí mohou ovlivnit kvalitu ultrazvukového signálu, což také vyžaduje optimalizaci algoritmů zpracování signálu pomocí simulací a experimentů.
COMSOL Multiphysics Simulation Analysis
Vezmeme-li software COMSOL Multiphysics 5.6 jako příklad pro konstrukci modelu a simulační analýzu, simulace mohou analyzovat vliv různých úhlů, materiálů potrubí, průměrů potrubí, ultrazvukových frekvencí a instalačních metod na šíření ultrazvukových vln. Schematický diagram modelu ultrazvukového měření průtoku je znázorněn na obrázku 3.6. Abychom zlepšili výpočetní efektivitu řešení 3D modelu, obvykle používáme symetrii k simulaci poloviny kanálu pro reprezentaci celého modelu. Během procesu konstrukce modelu je třeba vzít v úvahu vliv různých materiálů potrubí na úhel lomu ultrazvuku, stejně jako různé vzdálenosti horizontálního posunutí pro dva snímače instalované pod různými průměry potrubí.
Obrázek 3.6 Schématický diagram konstrukce modelu ultrazvukového měření průtoku
Způsoby instalace převodníku
Aby byly splněny obecné požadavky na měření různých průměrů potrubí, měly by být při ultrazvukovém měření průtoku použity různé pracovní frekvence ultrazvukových převodníků a různé způsoby instalace převodníků. Thesvorka na typ ultrazvukového průtokoměrunabízí v tomto ohledu zvláštní výhody, protože umožňuje -invazivní instalaci bez nutnosti řezání potrubí nebo odstávky procesu. Mezi běžné způsoby instalace patří V-shape, Z-shape, N-shape a W-shape. Pro studium vlivu různých metod instalace měničů na signály šíření ultrazvukových vln je nutné provést související výzkum. Tento článek používá jako příklad pro demonstraci především simulaci modelování instalace převodníku tvaru Z-.
Diskontinuální Galerkinova metoda a rozdělení mřížky
V COMSOL Multiphysics 5.6 je použit modul rozhraní "Convection Equation, Time Domain Explicit" a ve výchozím nastavení tvoří součást vzorce s kvartickými funkcemi. Pro řešení vlnových problémů se jako účinná metoda osvědčila Diskontinuální Galerkinova metoda. Metoda Discontinuous Galerkin zjednodušuje problém dělení mřížky ve velkých modelech, umožňuje použití volných čtyřstěnných mřížek s poloviční-velikost vlnové délky a nakonec řeší celý model. Ve skutečném rozdělení mřížky obvykle nastavujeme velikost prvku mřížky na libovolnou hodnotu mezi polovinou vlnové délky a dvěma-třetinami vlnové délky, abychom získali vhodné prostorové rozlišení. Při použití explicitního řešiče časové{7}}domény je velikost interního časového kroku přísně řízena softwarem COMSOL, takže časový krok řídí nejmenší prvek mřížky v modelu. Při nastavování volných prvků čtyřstěnné mřížky musí být řízena maximální a minimální velikost prvků. V COMSOL Multiphysics 5.6 je pro rozhraní explicitní časové domény „konvekční rovnice“-interní časový krok automaticky vybrán na základě úrovně upřesnění mřížky a fyzických vlastností. Obrázek 3.7 ukazuje rozdělení mřížky pro studium rychlosti proudění na pozadí a akustiky pomocí metody instalace tvaru Z-.
(a) Rychlost toku pozadí (b) Akustika
Obrázek 3.7 Divize mřížky pro studium rychlosti toku pozadí a akustiky v různých časech
Konfigurace fyzického pole
Po sestavení modelu je třeba nastavit fyzická pole. Oblast kapaliny v potrubí je nastavena jako fyzikální pole laminárního nebo turbulentního proudění pro simulaci tekutiny v potrubí během skutečného použití; doména kapaliny v potrubí, potrubí a snímače na obou stranách potrubí jsou nastaveny jako fyzické pole „konvekční rovnice, časová doména Explicit“ pro simulaci šíření ultrazvukových vln. V nastavení fyzického pole "Convection Equation, Time Domain Explicit" jsou konce potrubí definovány jako hranice impedance pro zkrácení výpočtu. V laminárních nebo turbulentních simulacích je vstup tekutiny vlevo a výstup tekutiny vpravo. Apřipoutatultrazvukový průtokoměrkonfigurace se provádí pomocí ultrazvukového vysílače nainstalovaného na spodní straně potrubí a přijímače nainstalovaného na horní straně. Normální rychlost je aplikována na konec vysílače pro vyzařování ultrazvukových vln.
Modelování a analýza stavu tekutiny
Při použití softwaru COMSOL Multiphysics 5.6 pro ultrazvukové simulace měření průtoku je třeba nejprve modelovat a analyzovat stav tekutiny v potrubí. Vezmeme-li jako příklad PVC trubku s vnějším průměrem 15 mm a tloušťkou stěny 0,75 mm, byly provedeny laminární a turbulentní simulace. Tyto simulace jsou nezbytné pro pochopení toho, jakultrazvukový pásek na průtokoměrufunguje za různých podmínek proudění. Simulace laminárního proudění využívá modul "Laminární proudění" v COMSOL Multiphysics 5.6 pro nastavení fyzikálního pole a simulace turbulentního proudění využívá modul "Turbulentní proudění, k-ω". Obrázek 3.8 ukazuje velikost rychlosti proudění pozadí za laminárních a turbulentních podmínek.
Z obrázku 3.8 je vidět, že za podmínek laminárního proudění je rychlost proudění v každé části potrubí téměř rovnoměrná, blízká průměrné rychlosti proudění základní tekutiny. Podle diagramu hlubší barva ve středu potrubí indikuje vyšší rychlost proudění.
(a) Laminární proudění (b) Turbulentní proudění
Obrázek 3.8 Velikost rychlosti toku pozadí za různých stavů kapaliny
Analýza rychlosti proudění na pozadí
Pro jasnější zobrazení rychlosti proudění v každé části potrubí byl vybrán úsek potrubí pro vykreslení křivky rychlosti proudění na pozadí. Obrázek 3.9 ukazuje křivky rychlosti proudění na pozadí za podmínek laminárního a turbulentního proudění.
Pro PVC trubku s vnějším průměrem 15 mm a tloušťkou stěny 0,75 mm byla provedena simulační analýza. Výsledky simulace pomocí modulu "Laminární proudění" jsou znázorněny na obrázku 3.9(a). Je vidět, že ve stavu laminárního proudění dochází k přechodu rychlosti proudění pouze v rozsahu 5 mm na povrchu potrubí, zatímco rychlost proudění na jiných místech je asi 10 m/s, což naznačuje, že tekutina zažívá zpoždění proudění v blízkosti stěny potrubí v důsledku tření potrubí. Naproti tomu výsledky simulace pomocí modulu "Turbulent Flow, k-ω" jsou znázorněny na obrázku 3.9(b). Je vidět, že za podmínky průměrné rychlosti proudění 10 m/s je rychlost proudění v blízkosti stěny potrubí asi 4,5 m/s a rychlost proudění ve středu potrubí může dosahovat přibližně 12,2 m/s, přičemž rozložení rychlosti proudění tvoří parabolický tvar.
(a) Laminární tok
(b) Turbulentní proudění
Obrázek 3.9 Křivky rychlosti toku na pozadí v různých stavech kapaliny
