- Od LiuXinga, hlavního inženýra měření průtoku s 15+ lety zkušeností v oblasti výzkumu a vývoje ultrazvukových průtokoměrů,

certifikovaný v CFD analýze (ANSYS Fluent Professional)

Technická hodnota simulace struktury potrubí vkládacího ultrazvukového průtokoměru

Proč je potřeba simulační technologie?

V praktickém strojírenství výkon vkládáníultrazvukové průtokoměryje výrazně ovlivněna podmínkami potrubí. Tradiční metody spoléhají na opakované ladění-na místě, které je nejen nákladné, ale může také odhalit konstrukční vady až po uvedení do provozu. Zavedení simulační technologie tuto situaci změnilo a umožnilo inženýrům identifikovat a řešit potenciální problémy ve fázi návrhu.

Jeho hlavní hodnota spočívá v: přenesení „nákladů na pokusy-a{1}}chyby“ z terénu na počítače a nahrazení drahých fyzikálních experimentů numerickými výpočty.

Šest hlavních technických problémů řešených simulací

Jak určit polohu sondy

Rychlost proudění v potrubí není rovnoměrně rozložena. Kolena a ventily vytvářejí místní víry a instalace sond v těchto oblastech povede ke zkresleným hodnotám. Inženýři používají výpočty mechaniky tekutin k vizualizaci vektorů rychlosti v každém bodě potrubí, čímž vybírají relativně stabilní průřezy-průtokového pole pro instalaci senzoru, což je nezbytné pro přesné stanovení korekčního faktoru průtokového profilu (FPCF).

Praxe ukazuje: drobné rozdíly v úhlu sklonu sondy (na úrovni 5 stupňů) změní stav průtoku v oblasti měření. Systematické testování konfigurací více úhlů za účelem nalezení řešení s minimální chybou je ve fyzikálních experimentech téměř nepraktické, ale výpočetní analýzu lze dokončit během několika dní, přičemž je třeba brát v úvahu vyčnívání a zahloubení snímače.

Kde je úzké hrdlo přesnosti

Ultrazvukové měření je založeno na principu "časového rozdílu" a změny parametrů tekutiny (teplota, tlak, složení) ovlivňují rychlost zvuku. Jednoduché empirické vzorce je obtížné pokrýt všechny provozní podmínky, zvláště když jsou splněny požadavky na přesnost přenosu.

Simulace stanoví mapovací vztah mezi vstupními parametry a odchylkou měření pomocí analýzy závislosti na Reynoldsově čísle. Například, když teplota kapaliny kolísá ±10 stupňů, jak moc se změní rychlost zvuku? Jak se tato změna promítne do chyby toku? S těmito kvantitativními daty lze navrhnout efektivní algoritmy teplotní kompenzace.

Jak zvládnout složité stavy toku

Model laminárního proudění v učebnicích se ve skutečných potrubích objevuje jen zřídka. Turbulence, sekundární proudění a dokonce i dvoufázový-kapalný-proud plynu způsobují, že se profily rychlostí výrazně odchylují od ideálních stavů. Computational Fluid Dynamics (CFD) dokáže reprodukovat tyto složité jevy. Inženýrské případy ukazují: 15 průměrů potrubí po proudu od určitého ohybu 90 stupňů stále existuje značná šikmost rychlosti. Aniž bychom tomu rozuměli, průtok vypočítaný podle standardních předpokladů průtokového pole se může lišit o několik procentních bodů, což zvláště ovlivňuje vícecestný ultrazvukprůtokoměrpřesnost integrace.

Optimalizace cesty šíření akustických vln

Ultrazvukové vlny se během šíření setkávají s rušením, jako jsou odrazy od stěny potrubí, rozptyl svarů a střední nerovnoměrnost-. Kumulativní účinek těchto faktorů může oslabit sílu signálu nebo vnést šum.

Akustická simulace využívající simulační techniky sledování akustického paprsku odhaluje skutečnou trajektorii paprsků uvnitř potrubí. Některé geometrické konfigurace vytvářejí „akustické stínové zóny“, což má za následek extrémně slabé přijímané signály; jiné konfigurace, ačkoli mají silné signály, mají vícecestné efekty způsobující zkreslení tvaru vlny. Pomocí srovnávací analýzy mohou inženýři vybrat schéma uspořádání s optimálním poměrem signálu-k-šumu.

Zajištění výkonu v rámci instalačních omezení

Standardní specifikace obvykle vyžadují 20 průměrů potrubí před přímým úsekem potrubí, ale provozní podmínky často nemohou tento požadavek splnit. Náklady na úpravu potrubí mohou dosáhnout stovek tisíc dolarů.

Simulace poskytuje posouzení proveditelnosti pro „ne-standardní instalaci“. Výpočtem stupně obnovy proudového pole při různých délkách přímých úseků potrubí v kombinaci s kompenzací konfigurace více-cesttechnologiepomocí metody Gauss{0}}Jakobiho integrace lze kvalifikované přesnosti dosáhnout v prostorách s pouze 6–8 průměry potrubí. To vyžaduje přizpůsobenou analýzu pro konkrétní projekty, spíše než pouhé použití specifikací, a zároveň zajistit ověření souladu s normou ISO 17089.

Použitelnost na speciální média

Provozní podmínky, jako jsou vysoce-viskozní kapaliny, kaly obsahující pevné částice a plyny s vysokou-teplotou a vysokým-tlakem, mají průtokové charakteristiky, které se výrazně liší od běžných kapalin. Unáhlená instalace může vést k poškození zařízení nebo selhání měření.

Simulace umožňuje testování extrémních podmínek ve virtuálních prostředích. Například výpočet, zda nárazová síla vysokorychlostního proudění plynu na sondu způsobí strukturální rezonanci prostřednictvím předpovědi frekvence propouštění víru; nebo analýzu, zda frekvence nárazů částic urychlí opotřebení snímače. Tyto informace jsou vodítkem pro výběr materiálu a návrh konstrukční výztuže.

Hranice technické aplikace

Simulace není všemocná. Jeho přesnost závisí na:

• Zda matematický model pokrývá skutečné fyzikální procesy
• Zda nastavení okrajových podmínek odpovídá skutečným situacím
• Zda jsou výpočetní zdroje dostatečné pro rafinované řešení

Pro zcela nové jevy proudění nebo extrémní provozní podmínky vyžadují výsledky simulace ověření experimentálních dat. Simulace však stále může značně zúžit rozsah experimentu, zaměřit se na klíčové parametry a výrazně zlepšit efektivitu výzkumu a vývoje.

Obrázek 3.1: Ultrazvukový průtokoměr typu vložení-

Obrázek 3.1 ukazuje běžně používaný vkládací-typ ultrazvukového průtokoměru. Jeho pracovním principem je instalace dvojice ultrazvukových senzorů na obě strany potrubí a dosažení přesného měření průtoku detekcí a výpočtem rozdílu mezi rychlostmi ultrazvukových pulsů v proudu po proudu a proti proudu. Během procesu měření senzory střídavě vysílají a přijímají ultrazvukové signály v opačných směrech. Ultrazvukové signály se šíří rychleji v toku po proudu než v toku proti proudu; když kapalina stojí, časový rozdíl je nulový. Proto měřením doby šíření ultrazvukových vln v toku po proudu a proti proudu lze získat časový rozdíl t. Podle vztahu mezi t a rychlostí proudění V lze nepřímo měřit průměrnou rychlost proudění tekutiny a na základě plochy průřezu potrubí -vypočítat objemový průtok Q.

Návrh kanálu tekutiny by měl brát v úvahu rychlost proudění tekutiny a rozsah průtoku, kde se návrh potrubí musí více zaměřit na rozsah rychlosti proudění tekutiny, aby byla zajištěna přesnost měření průtoku. Příliš vysoká nebo nízká rychlost proudění tekutiny nakonec ovlivní charakteristiky šíření ultrazvukových signálů.

Rozměry potrubí, jmenovitě vnitřní průměr potrubí, se musí shodovat s vnitřním průměrem měřeného potrubí, aby se snížilo narušení proudění kapaliny a zabránilo se tak ovlivnění konečných výsledků měření. Nosná konstrukce v konstrukci potrubí by měla volit materiály odolné proti korozi-a opotřebení-pro prodloužení životnosti; současně je zapotřebí rozumný návrh, který zajistí jeho stabilitu při vysoké rychlosti proudění nebo vysokém tlaku. Ultrazvukový snímač potřebuje vybrat vhodný typ ultrazvukového snímače (jako je typ s řízenou vlnou nebo typ odrazu) podle požadavků aplikace a poté vybrat vhodnou polohu pro instalaci ultrazvukového snímače, aby bylo zajištěno, že ultrazvukový signál může účinně procházet celým potrubím.
Kromě výše uvedených faktorů zahrnuje výzkum Tang Xiaoyu[103] a dalších vědců z univerzity Zhejiang také: v podmínkách ohybu 90 stupňů a 180 stupňů vliv ne-ideálního rozložení rychlosti proudění na každou akustickou dráhu ultrazvukového průtokoměru, zejména vliv na měření rychlosti proudění a přesnost průtokoměru. Zhang Zhijun a Zhu Yingsheng[102] a další učenci na základě předchozího výzkumu použili simulační technologii CFD k provedení simulační analýzy na 7 úhlech (v 5stupňových intervalech) mezi 30° a 60° pro úhly instalace ultrazvukového snímače. Výsledky ukazují, že: různé instalační úhly ovlivňují rozložení rychlosti proudění v drážkové části akustické cesty. Současně byla analyzována relativní chyba mezi simulovanou rychlostí proudění a ideální rychlostí proudění a bylo stanoveno, že optimální úhel instalace převodníku pro navržený plynový ultrazvukový průtokoměr o průměru DN80 je 50 stupňů.

Výzkum simulace simulace potrubí ultrazvukového měření průtoku-typu vložení

Simulační výzkum zvažuje tři aspekty:

Simulace dynamiky tekutin, simulace šíření ultrazvuku a simulace stavební mechaniky. Pomocí modelů CFD (Computational Fluid Dynamics) lze simulovat proudění tekutiny uvnitř potrubí a následně analyzovat vlivy faktorů, jako je rozložení rychlosti proudění a vířivé proudění na šíření ultrazvukového signálu. Během simulačního procesu by měly být kontrolovány možné víry, bubliny atd. v tekutině, aby se co nejvíce zabránilo interferenci s ultrazvukovým měřením.
Vezměme si jako příklad vliv různých instalačních úhlů snímače na rozložení rychlosti proudění, je-li celková délka tělesa potrubního průtokoměru L=230 mm a průměr D=80 mm. Nastavte úhel instalace snímače na 30 stupňů ~ 60 stupňů a vytvořte simulační model v intervalech 5 stupňů. Různé montážní úhly jsou znázorněny na obrázku 3.2. Pro snížení spotřeby paměti počítače a výpočetní zátěže, když software ANSYS provádí simulaci, lze CFD model plynového ultrazvukového průtokoměru do určité míry zjednodušit, pouze s ohledem na stanovení vnitřního průměru pouzdra průtokoměru a modelu převodníku, přičemž zbytek bude dočasně ignorován.
Geometrický model je rozdělen do tří částí: přední potrubí, plynový ultrazvukový průtokoměr a zadní potrubí. Mezi nimi přední a zadní potrubí využívají strukturovanou síť, prostřední plynový ultrazvukový průtokoměr využívá čtyřstěnnou síť a na spojovacích bodech se používá povrchové spojení rozhraní se zjemněním sítě na spojovacích plochách. Výstupní a vstupní přímá potrubí používají strukturovanou síť jako hexaedrální síť s maximální velikostí oka nastavenou na 2, Spacing1 (rozteč oka první hraniční vrstvy) 1,5, Ratio1 (rychlost růstu ok první hraniční vrstvy) 2, Spacing2 (rozteč ok druhé hraniční vrstvy) a Ratio 2, rychlost růstu 2,2 mesh maximální velikost ok části těla plynového ultrazvukového průtokoměru je 5; místní zjemnění se aplikuje na síť převodníku s maximální velikostí oka 1,5; místní upřesnění se použije na síť rozhraní, přičemž velikost sítě zůstane na 2.

Obrázek 3.2 Schematický diagram převodníků při různých úhlech instalace

Tabulka výsledků optimalizace úhlu převodníku

Výběr a nastavení softwaru pro simulaci CFD

ANSYS Fluent vs COMSOL:Co je lepší pro simulaci ultrazvukového průtokoměru?
Srovnání modelu turbulence:k-ε vs k-ω SST vs RSM pro Reynoldsovo číslo 10⁴-10⁷
Kritéria kvality sítě:y+ < 1, poměr stran < 100, šikmost < 0,85

Obrázek 3.3: Modelovací model

Vzhledem k velkému gradientu rychlosti blízko povrchu stěny je přijato zjemnění sítě hraniční vrstvy pomocí zákona exponenciálního růstu s počáteční výškou (počáteční výškou) nastavenou na 0,1, poměrem výšky (poměr každé hraniční vrstvy) 1,2, počtem vrstev (počet hraničních vrstev) 3 a celkovou výškou (celková výška hraničních vrstev 7). Konečný celkový počet ok je přibližně 1,5 milionu. Vezmeme-li jako příklad úhel instalace čtyřcestného snímače DN80 s úhlem 50 stupňů, výsledek dělení sítě je znázorněn na obrázku 3.3.

Obrázek 3.4: Obrysové mapy rychlosti při rychlosti vstupního průtoku 10 m/s, instalační úhly 50 stupňů a 30 stupňů

Abychom lépe porozuměli distribuci kapaliny uvnitř potrubí při různých instalačních úhlech, vezmeme-li jako příklady dva případy instalačních úhlů 30 stupňů a 50 stupňů, kdy rychlost vstupního toku je 10 m/s, jsou na obrázku 3.4 znázorněny vrstevnicové mapy rychlosti cest jedna a tři.

Kontaktujte náš technický tým ještě dnes pro bezplatné posouzení proveditelnosti podmínek vašeho potrubí a požadavků na měření.