- Od LiuXinga, vedúceho inžiniera merania prietoku s 15+-ročnými skúsenosťami v oblasti výskumu a vývoja ultrazvukových prietokomerov,

certifikovaný v CFD analýze (ANSYS Fluent Professional)

Technická hodnota simulácie štruktúry potrubia vloženého ultrazvukového prietokomeru

Prečo je potrebná simulačná technológia?

V praktickom strojárstve výkon vkladaniaultrazvukové prietokomeryje výrazne ovplyvnená podmienkami potrubia. Tradičné metódy sa spoliehajú na opakované ladenie na-stránke, ktoré je nielen nákladné, ale môže odhaliť aj konštrukčné chyby až po uvedení do prevádzky. Zavedenie simulačnej technológie zmenilo túto situáciu a umožnilo inžinierom identifikovať a riešiť potenciálne problémy už vo fáze návrhu.

Jeho základná hodnota spočíva v: prenose „nákladov na pokusy-a{1}}chyby“ z terénu do počítačov, nahradenie drahých fyzikálnych experimentov numerickými výpočtami.

Šesť hlavných technických problémov vyriešených simuláciou

Ako určiť polohu sondy

Rýchlosť prúdenia v potrubiach nie je rovnomerne rozložená. Kolená a ventily vytvárajú lokálne víry a inštalácia sond v týchto oblastiach povedie k skresleným údajom. Inžinieri používajú výpočty mechaniky tekutín na vizualizáciu vektorov rýchlosti v každom bode potrubia, čím vyberajú relatívne stabilné prierezy-pola prúdenia na inštaláciu snímača, čo je nevyhnutné na presné určenie korekčného faktora prietokového profilu (FPCF).

Prax ukazuje: menšie rozdiely v uhle sklonu sondy (na úrovni 5 stupňov) zmenia stav prietoku v oblasti merania. Systematické testovanie konfigurácií viacerých uhlov s cieľom nájsť riešenie s minimálnou chybou je vo fyzikálnych experimentoch takmer nepraktické, ale výpočtovú analýzu možno dokončiť v priebehu niekoľkých dní, pričom sa zohľadnia účinky vyčnievania prevodníka a zahĺbenia.

Kde je prekážka presnosti

Ultrazvukové meranie je založené na princípe "časového rozdielu" a zmeny parametrov tekutiny (teplota, tlak, zloženie) ovplyvňujú rýchlosť zvuku. Jednoduché empirické vzorce je ťažké pokryť všetky prevádzkové podmienky, najmä ak spĺňajú požiadavky na presnosť prenosu.

Simulácia vytvára mapovací vzťah medzi vstupnými parametrami a odchýlkou ​​merania prostredníctvom analýzy závislosti Reynoldsovho čísla. Napríklad, keď teplota tekutiny kolíše o ±10 stupňov, ako veľmi sa zmení rýchlosť zvuku? Ako sa táto zmena premietne do chyby toku? S týmito kvantitatívnymi údajmi je možné navrhnúť efektívne algoritmy teplotnej kompenzácie.

Ako zvládnuť zložité stavy toku

Model laminárneho prúdenia v učebniciach sa zriedka objavuje v skutočných potrubiach. Turbulencie, sekundárne prúdenie a dokonca aj dvojfázové prúdenie plynu-kvapaliny- spôsobujú, že rýchlostné profily sa výrazne odchyľujú od ideálnych stavov. Computational Fluid Dynamics (CFD) dokáže reprodukovať tieto zložité javy. Inžinierske prípady ukazujú: 15 priemerov rúr po prúde od určitého 90-stupňového ohybu stále existuje značné zošikmenie rýchlosti. Bez toho, aby sme tomu rozumeli, prietok vypočítaný podľa štandardných predpokladov prietokového poľa sa môže líšiť o niekoľko percentuálnych bodov, čo má vplyv najmä na viaccestný ultrazvukprietokomerpresnosť integrácie.

Optimalizácia cesty šírenia akustických vĺn

Ultrazvukové vlny sa počas šírenia stretávajú s interferenciou, ako sú odrazy od steny potrubia, rozptyl zvarov a nerovnomernosť média. Kumulatívny účinok týchto faktorov môže oslabiť silu signálu alebo spôsobiť šum.

Akustická simulácia využívajúca techniky simulácie sledovania akustických lúčov odhaľuje skutočnú trajektóriu lúčov vo vnútri potrubí. Niektoré geometrické konfigurácie vytvárajú "akustické tieňové zóny", čo má za následok extrémne slabé prijímané signály; iné konfigurácie, hoci majú silné signály, majú viaccestné efekty spôsobujúce skreslenie tvaru vlny. Pomocou porovnávacej analýzy môžu inžinieri vybrať schému usporiadania s optimálnym pomerom signálu-k-šumu.

Zabezpečenie výkonu v rámci obmedzení inštalácie

Štandardné špecifikácie zvyčajne vyžadujú 20 priemerov potrubia priameho úseku potrubia proti prúdu, ale podmienky v teréne často nedokážu splniť túto požiadavku. Náklady na úpravu potrubia môžu dosiahnuť stovky tisíc dolárov.

Simulácia poskytuje posúdenie uskutočniteľnosti pre „ne-štandardnú inštaláciu“. Výpočtom stupňa obnovenia prietokového poľa pri rôznych dĺžkach priamych úsekov potrubia v kombinácii s kompenzáciou konfigurácie viacerých ciesttechnológiepomocou Gaussovej{0}}metódy Jacobiho integrácie je možné dosiahnuť kvalifikovanú presnosť v priestoroch s iba 6-8 priemermi potrubia. Vyžaduje si to prispôsobenú analýzu pre konkrétne projekty, a nie jednoduché uplatňovanie špecifikácií, pričom je potrebné zabezpečiť overenie súladu s normou ISO 17089.

Použiteľnosť na špeciálne médiá

Prevádzkové podmienky, ako sú vysoko{0}}viskózne kvapaliny, kaly obsahujúce pevné častice a plyny s vysokou-teplotou a vysokým-tlakom, majú prietokové charakteristiky, ktoré sa výrazne líšia od bežných kvapalín. Vyrážka pri inštalácii môže viesť k poškodeniu zariadenia alebo zlyhaniu merania.

Simulácia umožňuje testovať extrémne podmienky vo virtuálnych prostrediach. Napríklad výpočet, či sila nárazu vysokorýchlostného prúdu plynu na sondu spôsobí štrukturálnu rezonanciu prostredníctvom predpovede frekvencie uvoľňovania vírov; alebo analýzu, či frekvencia nárazov častíc urýchli opotrebovanie snímača. Tieto informácie usmerňujú výber materiálu a návrh konštrukčnej výstuže.

Hranice technickej aplikácie

Simulácia nie je všemocná. Jeho presnosť závisí od:

• Či matematický model pokrýva skutočné fyzikálne procesy
• Či nastavenia hraničných podmienok zodpovedajú skutočným situáciám
• Či sú výpočtové zdroje dostatočné na prepracované riešenie

Pre úplne nové javy prúdenia alebo extrémne prevádzkové podmienky si výsledky simulácie vyžadujú overenie experimentálnych údajov. Napriek tomu môže simulácia značne zúžiť rozsah experimentu, zamerať sa na kľúčové parametre a výrazne zlepšiť efektivitu výskumu a vývoja.

Obrázok 3.1: Ultrazvukový prietokomer typu vloženia-

Obrázok 3.1 zobrazuje bežne používaný ultrazvukový prietokomer typu-zasúvania. Jeho pracovným princípom je inštalácia dvojice ultrazvukových snímačov na obe strany potrubia a dosiahnutie presného merania prietoku detekciou a výpočtom rozdielu medzi rýchlosťami ultrazvukových impulzov v prúde po prúde a proti prúdu. Počas procesu merania senzory striedavo vysielajú a prijímajú ultrazvukové signály v opačných smeroch. Ultrazvukové signály sa šíria rýchlejšie v prúde po prúde ako v prúde proti prúdu; keď je kvapalina nehybná, časový rozdiel je nulový. Preto meraním času šírenia ultrazvukových vĺn v prúde po prúde a proti prúdu možno získať časový rozdiel t. Podľa vzťahu medzi t a rýchlosťou prúdenia V možno nepriamo merať priemernú rýchlosť prúdenia tekutiny a objemový prietok Q možno vypočítať na základe prierezovej plochy- potrubia.

Konštrukcia kanála tekutiny by mala brať do úvahy rýchlosť prúdenia tekutiny a rozsah prietoku, kde sa návrh potrubia musí viac zamerať na rozsah rýchlosti prúdenia tekutiny, aby sa zabezpečila presnosť merania prietoku. Príliš vysoká alebo nízka rýchlosť prúdenia tekutiny v konečnom dôsledku ovplyvní charakteristiky šírenia ultrazvukových signálov.

Rozmery potrubia, menovite vnútorný priemer potrubia, sa musia zhodovať s vnútorným priemerom meraného potrubia, aby sa znížilo rušenie prúdenia tekutiny a zabránilo sa tak ovplyvneniu konečných výsledkov merania. Nosná konštrukcia v konštrukcii potrubia by mala vyberať materiály odolné proti korózii-a opotrebovaniu-, aby sa predĺžila životnosť; zároveň je potrebný rozumný návrh na zabezpečenie jeho stability pri vysokej rýchlosti prúdenia alebo vysokého tlaku. Ultrazvukový prevodník musí vybrať vhodný typ ultrazvukového prevodníka (ako je typ riadenej vlny alebo typ odrazu) podľa požiadaviek aplikácie a potom zvoliť vhodnú polohu na inštaláciu ultrazvukového prevodníka, aby sa zabezpečilo, že ultrazvukový signál môže efektívne prechádzať celým potrubím.
Okrem vyššie uvedených faktorov výskum uskutočnený Tang Xiaoyu[103] a ďalšími vedcami z univerzity Zhejiang zahŕňa aj: v podmienkach ohybu 90 stupňov a 180 stupňov, vplyv ne-ideálnej distribúcie rýchlosti prúdenia na každú akustickú dráhu ultrazvukového prietokomeru, najmä vplyv na meranie rýchlosti prúdenia a presnosť prietokomeru. Zhang Zhijun a Zhu Yingsheng[102] a ďalší vedci na základe predchádzajúceho výskumu použili technológiu simulácie CFD na vykonanie simulačnej analýzy v 7 uhloch (v 5 stupňových intervaloch) medzi 30 stupňami a 60 stupňami pre uhly inštalácie ultrazvukových meničov. Výsledky ukazujú, že: rôzne inštalačné uhly ovplyvňujú distribúciu rýchlosti prúdenia v drážkovej časti akustickej dráhy. Súčasne sa analyzovala relatívna chyba medzi simulovanou rýchlosťou prúdenia a ideálnou rýchlosťou prúdenia a zistilo sa, že optimálny uhol inštalácie prevodníka pre navrhnutý plynový ultrazvukový prietokomer s priemerom DN80 je 50 stupňov.

Výskum simulácie simulácie potrubia ultrazvukového merania prietoku{0}}

Simulačný výskum zvažuje tri aspekty:

Simulácia dynamiky tekutín, simulácia šírenia ultrazvuku a simulácia štrukturálnej mechaniky. Pomocou modelov CFD (Computational Fluid Dynamics) je možné simulovať prúdenie tekutiny vo vnútri potrubia a následne analyzovať účinky faktorov, ako je distribúcia rýchlosti prúdenia a vírivé prúdenie na šírenie ultrazvukového signálu. Počas procesu simulácie by sa mali kontrolovať možné víry, bubliny atď. v kvapaline, aby sa čo najviac zabránilo interferencii s ultrazvukovým meraním.
Vezmime si ako príklad vplyv rôznych uhlov inštalácie prevodníkov na distribúciu rýchlosti prúdenia, ak je celková dĺžka telesa potrubného prietokomeru L=230 mm a priemer D=80 mm. Nastavte uhol inštalácie snímača na 30 stupňov ~ 60 stupňov a vytvorte simulačný model v 5 stupňových intervaloch. Rôzne uhly inštalácie sú znázornené na obrázku 3.2. Aby sa znížila spotreba pamäte počítača a výpočtová záťaž, keď softvér ANSYS vykonáva simuláciu, CFD model plynového ultrazvukového prietokomeru je možné do určitej miery zjednodušiť, iba ak vezmeme do úvahy stanovenie vnútorného priemeru puzdra prietokomeru a modelu prevodníka, pričom zvyšok bude dočasne ignorovaný.
Geometrický model je rozdelený na tri časti: predné potrubie, ultrazvukový prietokomer plynu a zadné potrubie. Medzi nimi predné a zadné potrubia využívajú štruktúrovanú sieť, stredný plynový ultrazvukový prietokomer používa štvorstennú sieť a v spojovacích bodoch sa používa povrchové spojenie rozhrania so zjemnenou sieťou na spojovacích povrchoch. Výstupné a vstupné priame potrubia využívajú štruktúrovanú sieť ako šesťstennú sieť s maximálnou veľkosťou oka nastavenou na 2, Spacing1 (rozostup medzi sieťami prvej hraničnej vrstvy) 1,5, Ratio1 (rýchlosť rastu ôk prvej hraničnej vrstvy) 2, Spacing2 (vzdialenosť ôk druhej hraničnej vrstvy) a rýchlosť rastu druhej hraničnej vrstvy 2,5 mesh 2,5 mesh maximálna veľkosť ôk telesa plynového ultrazvukového prietokomeru je 5; lokálne zjemnenie sa aplikuje na sieť meniča s maximálnou veľkosťou oka 1,5; lokálne spresnenie sa aplikuje na sieť rozhrania, pričom veľkosť oka sa udržiava na 2.

Obrázok 3.2 Schematický diagram prevodníkov pri rôznych inštalačných uhloch

Tabuľka výsledkov optimalizácie uhla snímača

Výber a nastavenie softvéru na simuláciu CFD

ANSYS Fluent vs COMSOL:Čo je lepšie pre simuláciu ultrazvukového prietokomeru?
Porovnanie modelu turbulencie:k-ε vs k-ω SST vs RSM pre Reynoldsovo číslo 10⁴-10⁷
Kritériá kvality pletiva:y+ < 1, pomer strán < 100, zošikmenie < 0,85

Obrázok 3.3: Modelovací model

Kvôli veľkému gradientu rýchlosti v blízkosti povrchu steny sa prijalo zjemnenie siete hraničnej vrstvy pomocou zákona exponenciálneho rastu s počiatočnou výškou (počiatočná výška) nastavenou na 0,1, pomerom výšky (pomer každej hraničnej vrstvy) 1,2, počtom vrstiev (počet hraničných vrstiev) 3 a celkovou výškou (celková výška hraničných vrstiev 7). Konečný celkový počet ôk je približne 1,5 milióna. Ak vezmeme ako príklad uhol inštalácie štvorcestného snímača DN80 50 stupňov, výsledok rozdelenia ôk je znázornený na obrázku 3.3.

Obrázok 3.4: Obrysové mapy rýchlosti pri vstupnej prietokovej rýchlosti 10 m/s, inštalačné uhly 50 stupňov a 30 stupňov

Pre lepšie pochopenie distribúcie tekutiny vo vnútri potrubia pri rôznych inštalačných uhloch, ak vezmeme dva prípady inštalačných uhlov 30 stupňov a 50 stupňov ako príklady, keď rýchlosť vstupného toku je 10 m/s, sú obrysové mapy rýchlosti ciest jedna a tri znázornené na obrázku 3.4.

Kontaktujte náš technický tím ešte dnes a požiadajte o bezplatné posúdenie uskutočniteľnosti vašich podmienok potrubia a požiadaviek na meranie.