- LiuXing, vooluhulga mõõtmise vaneminsener, kellel on 15+-aastane kogemus ultraheli voolumõõturi uurimis- ja arendustegevuses,

CFD analüüsi sertifikaat (ANSYS Fluent Professional)

Sisestamise ultraheli voolumõõturi torujuhtme struktuuri simulatsiooni tehniline väärtus

Miks on vaja simulatsioonitehnoloogiat?

Praktilises inseneritöös sisestamise jõudlusultraheli voolumõõturidseda mõjutavad oluliselt torujuhtme tingimused. Traditsioonilised meetodid põhinevad korduval -saidil silumisel, mis ei ole mitte ainult kulukas, vaid võib ka konstruktsiooni defekte paljastada alles pärast kasutuselevõttu. Simulatsioonitehnoloogia kasutuselevõtt on seda olukorda muutnud, võimaldades inseneridel tuvastada ja lahendada võimalikke probleeme projekteerimisetapis.

Selle põhiväärtus seisneb selles, et "proovi{0}}ja-tõrkekulude" ülekandmine põllult arvutitesse, kulukate füüsiliste katsete asendamine numbriliste arvutustega.

Simulatsiooniga lahendatud kuus peamist inseneriprobleemi

Kuidas määrata sondi asukohta

Voolukiirus torustikes ei ole ühtlaselt jaotunud. Küünarnukid ja ventiilid tekitavad lokaalseid keeriseid ning nendesse piirkondadesse sondide paigaldamine toob kaasa moonutatud näidud. Insenerid kasutavad vedeliku mehaanika arvutusi, et visualiseerida kiirusvektorid torujuhtme igas punktis, valides seeläbi anduri paigaldamiseks suhteliselt stabiilsed vooluvälja ristlõiked, mis on vooluprofiili korrektsiooniteguri (FPCF) täpseks määramiseks hädavajalik.

Praktika näitab: väikesed erinevused sondi kaldenurgas (5-kraadisel tasemel) muudavad voolu olekut mõõtmispiirkonnas. Mitme nurga konfiguratsiooni süstemaatiline testimine minimaalse veaga lahenduse leidmiseks on füüsilistes katsetes peaaegu ebapraktiline, kuid arvutusanalüüsi saab lõpule viia mõne päeva jooksul, võttes arvesse anduri eendi ja süvendi mõju.

Kus on täpsuse kitsaskoht

Ultraheli mõõtmine põhineb "ajavahe" põhimõttel ja vedeliku parameetrite (temperatuur, rõhk, koostis) muutused mõjutavad heli kiirust. Lihtsate empiiriliste valemitega on raske katta kõiki töötingimusi, eriti kui need vastavad hooldusõiguse üleandmise täpsuse nõuetele.

Simulatsioon loob seose sisendparameetrite ja mõõtmishälbe vahel Reynoldsi arvu sõltuvusanalüüsi abil. Näiteks kui vedeliku temperatuur kõigub ±10 kraadi, siis kui palju muutub heli kiirus? Kuidas see muutus vooveaks väljendub? Nende kvantitatiivsete andmete abil saab välja töötada tõhusad temperatuuri kompenseerimise algoritmid.

Kuidas käsitleda keerulisi vooseisundeid

Laminaarse voolu mudel õpikutes esineb harva tegelikes torustikes. Turbulents, sekundaarne vool ja isegi gaasi-vedeliku kahe-faasi vool põhjustavad kiirusprofiilide tõsiseid kõrvalekaldeid ideaalolekutest. Computational Fluid Dynamics (CFD) suudab neid keerulisi nähtusi reprodutseerida. Tehnilised juhtumid näitavad, et 15 toru läbimõõtu teatud 90-kraadisest kurvist allavoolu on endiselt olemas märkimisväärne kiiruse kalduvus. Ilma seda mõistmata võib standardsete vooluvälja eelduste kohaselt arvutatud vooluhulk erineda mitme protsendipunkti võrra, mõjutades eriti mitmesuunalist ultrahelivoolumõõturintegreerimise täpsus.

Akustiliste lainete leviku optimeerimine

Ultrahelilained puutuvad levimise ajal kokku häiretega, nagu toruseina peegeldused, keevisõmbluse hajumine ja keskmine ebaühtlus{0}}. Nende tegurite kumulatiivne mõju võib nõrgendada signaali tugevust või tekitada müra.

Akustiline simulatsioon, kasutades akustiliste kiirte jälgimise simulatsioonitehnikaid, näitab torujuhtmete sees olevate kiirte tegelikku trajektoori. Mõned geomeetrilised konfiguratsioonid tekitavad "akustilisi varjutsoone", mille tulemuseks on äärmiselt nõrgad vastuvõetud signaalid; teistel konfiguratsioonidel, kuigi neil on tugevad signaalid, on lainekuju moonutusi põhjustav mitmeteeefekt. Võrdleva analüüsi abil saavad insenerid valida optimaalse signaali-/-müra suhtega paigutusskeemi.

Toimivuse tagamine paigalduspiirangute korral

Standardsed spetsifikatsioonid nõuavad tavaliselt ülesvoolu sirge toruosa 20 toru läbimõõtu, kuid välitingimused ei suuda sageli seda nõuet täita. Torujuhtme muutmise kulud võivad ulatuda sadadesse tuhandetesse dollaritesse.

Simulatsioon annab "mittestandardse installimise{0}} teostatavuse hinnangu." Arvutades vooluvälja taastumise astme erinevate sirgete toruosade pikkuste korral koos mitme-tee konfiguratsiooni kompensatsioonigatehnoloogiakasutades Gauss{0}}Jacobi integratsioonimeetodit, võib kvalifitseeritud täpsuse saavutada ainult 6–8 toru läbimõõduga ruumides. See nõuab konkreetsete projektide jaoks kohandatud analüüsi, mitte lihtsalt spetsifikatsioonide rakendamist, tagades samal ajal ISO 17089 vastavuse kinnitamise.

Kohaldatavus erimeediumitele

Töötingimustel, nagu kõrge -viskoossusega vedelikud, tahkeid osakesi sisaldavad suspensioonid ja kõrgel -temperatuuril kõrgsurvegaasid{2}}, on vooluomadused, mis erinevad oluliselt tavapärastest vedelikest. Lööve paigaldamine võib põhjustada seadme kahjustusi või mõõtmishäireid.

Simulatsioon võimaldab testida ekstreemseid tingimusi virtuaalses keskkonnas. Näiteks arvutades, kas suure -kiirusega gaasivoolu löögijõud sondile põhjustab struktuurse resonantsi keerise hajumise sageduse prognoosimise kaudu; või analüüsida, kas osakeste löögisagedus kiirendab anduri kulumist. See teave juhib materjali valimist ja konstruktsiooni tugevdamise kavandamist.

Tehnilise rakenduse piirid

Simulatsioon ei ole kõikvõimas. Selle täpsus sõltub:

• Kas matemaatiline mudel hõlmab reaalseid füüsikalisi protsesse
• Kas piiritingimuste sätted vastavad tegelikele olukordadele
• Kas arvutusressurssidest piisab viimistletud lahenduseks

Täiesti uute voolunähtuste või äärmuslike töötingimuste korral vajavad simulatsiooni tulemused eksperimentaalset andmete valideerimist. Sellegipoolest võib simulatsioon siiski oluliselt kitsendada eksperimentaalset ulatust, keskenduda põhiparameetritele ning oluliselt parandada uurimis- ja arendustegevuse tõhusust.

Joonis 3.1: Sisestus-tüüpi ultraheli voolumõõtur

Joonisel 3.1 on kujutatud tavaliselt kasutatavat sisestus-tüüpi ultraheli voolumõõturit. Selle tööpõhimõte on paigaldada paar ultraheliandureid torujuhtme mõlemale küljele ja saavutada täpne voolumõõtmine, tuvastades ja arvutades ultraheli impulsi kiiruste erinevuse allavoolu ja ülesvoolu. Mõõtmisprotsessi ajal edastavad andurid vaheldumisi ultraheli signaale vastassuundades. Ultraheli signaalid levivad allavoolus kiiremini kui ülesvoolu; kui vedelik on paigal, on ajavahe null. Seetõttu saab ultrahelilainete levimisaega alla- ja ülesvoolu mõõtes saada ajavahe t. Vastavalt t ja voolukiiruse V vahelisele seosele saab kaudselt mõõta vedeliku keskmist voolukiirust ja torujuhtme ristlõikepindala põhjal arvutada mahulise voolukiiruse Q.

Vedelikukanali projekteerimisel tuleks arvestada vedeliku voolukiirust ja vooluvahemikku, kusjuures torujuhtme projekteerimisel tuleb voolu mõõtmise täpsuse tagamiseks rohkem keskenduda vedeliku voolukiiruse vahemikule. Liiga suur või madal vedeliku voolukiirus mõjutab lõpuks ultraheli signaalide levimisomadusi.

Torujuhtme mõõtmed, nimelt torujuhtme siseläbimõõt, peavad vastama mõõdetud torujuhtme siseläbimõõdule, et vähendada vedeliku voolu häirimist ja seega vältida lõplike mõõtmistulemuste mõjutamist. Torujuhtme konstruktsiooni tugistruktuur peaks tööea pikendamiseks valima korrosioonikindlad-ja kulumiskindlad materjalid; samal ajal on vaja mõistlikku konstruktsiooni, et tagada selle stabiilsus suure voolukiiruse või kõrge rõhu all. Ultrahelimuundur peab vastavalt rakenduse nõuetele valima sobiva ultrahelianduri tüübi (nt juhitud laine tüüp või peegeldustüüp) ja seejärel valima ultrahelianduri paigaldamiseks sobiva asukoha, et tagada ultrahelisignaali tõhus läbimine kogu torujuhtmest.
Lisaks ülaltoodud teguritele hõlmavad Tang Xiaoyu[103] ja teiste Zhejiangi ülikooli teadlaste läbiviidud uuringud ka järgmist: 90-kraadise painde ja 180-kraadise painde tingimustes mitte--ideaalse voolukiiruse jaotuse mõju ultraheli voolumõõturi igale akustilisele teele, eriti mõju voolukiiruse mõõtmisele ja voolukiiruse mõõtmisele. Zhang Zhijun ja Zhu Yingsheng[102] ning teised teadlased kasutasid varasematele uuringutele tuginedes CFD simulatsioonitehnoloogiat, et viia läbi simulatsioonianalüüsi 7 nurga all (5-kraadise intervalliga) vahemikus 30-60 kraadi ultrahelianduri paigaldusnurkade jaoks. Tulemused näitavad, et: erinevad paigaldusnurgad mõjutavad voolukiiruse jaotust akustilise tee soone osas. Samal ajal analüüsiti simuleeritud voolukiiruse ja ideaalse voolukiiruse suhtelist viga ning tehti kindlaks, et projekteeritud DN80 läbimõõduga gaasi ultrahelivooluhulgamõõturi jaoks on optimaalne anduri paigaldusnurk 50 kraadi.

Insertion{0}}tüüpi ultrahelivoolu mõõtmise torujuhtme simulatsiooniuuringud

Simulatsiooniuuringud võtavad arvesse kolme aspekti:

Vedeliku dünaamika simulatsioon, ultraheli levimise simulatsioon ja struktuurimehaanika simulatsioon. Kasutades CFD (Computational Fluid Dynamics) mudeleid, saab torujuhtme sees olevat vedeliku voolu simuleerida ning seejärel analüüsida selliste tegurite nagu voolukiiruse jaotus ja keerisevoog mõju ultraheli signaali levimisele. Simulatsiooniprotsessi käigus tuleks kontrollida võimalikke keeriste, mullide jms tekkimist vedelikus, et vältida nii palju kui võimalik ultrahelimõõtmist.
Võttes näiteks erinevate andurite paigaldusnurkade mõju voolukiiruse jaotusele, kui torujuhtme voolumõõturi korpuse kogupikkus on L=230 mm ja läbimõõt D=80 mm. Seadke anduri paigaldusnurk 30-60 kraadi ja looge simulatsioonimudel 5-kraadiste intervallidega. Erinevad paigaldusnurgad on näidatud joonisel 3.2. Arvuti mälutarbimise ja arvutuskoormuse vähendamiseks, kui ANSYS tarkvara teostab simulatsiooni, saab gaasi ultraheli vooluhulgamõõturi CFD mudelit mõnevõrra lihtsustada, võttes arvesse ainult voolumõõturi korpuse sisediameetri ja anduri mudeli kindlaksmääramist, ülejäänud jäetakse ajutiselt tähelepanuta.
Geomeetriline mudel on jagatud kolmeks osaks: eesmine torujuhe, gaasi ultraheli voolumõõtur ja tagumine torujuhe. Nende hulgas on eesmine ja tagumine torujuhtmestik struktureeritud võrgusilmaga, keskmine gaasi ultraheli voolumõõtur tetraeedrilise võrguga ja ühenduspunktides kasutatakse liidese pinnaühendust, ühenduspindade võrgusilma täpsustatakse. Väljalaske ja sisselaske sirged torujuhtmed kasutavad struktureeritud võrku kuueedrilise võrguna, maksimaalse võrgusilma suuruseks on seatud 2, Spacing1 (esimese piirkihi võrgusilma vahe) on 1,5, Ratio1 (esimese piirkihi võrgusilma kasvukiirus) 2, Spacing2 (teise piirkihi võrgusilma vahekaugus 2,5se) ja sekundaarse kihi võrgusilma vahe. võrgusilma kasvukiirus) 2. Gaasi ultraheli voolumõõturi korpuse sektsiooni maksimaalne võrgusilma suurus on 5; anduri võrgule rakendatakse kohalikku täpsustamist maksimaalse võrgusilma suurusega 1,5; Liidese võrgusilmale rakendatakse kohalikku täpsustust, hoides võrgusilma suuruseks 2.

Joonis 3.2 Andurite skemaatiline diagramm erinevate paigaldusnurkade juures

Anduri nurga optimeerimise tulemuste tabel

CFD simulatsioonitarkvara valik ja seadistamine

ANSYS Fluent vs COMSOL:Milline on ultraheli voolumõõturi simulatsiooni jaoks parem?
Turbulentsimudelite võrdlus:k-ε vs k-ω SST vs RSM Reynoldsi numbrile 10⁴-10⁷
Võrgusilma kvaliteedikriteeriumid:y+ < 1, kuvasuhe < 100, kalduvus < 0,85

Joonis 3.3: Modelleerimismudel

Seinapinna lähedal oleva suure kiiruse gradiendi tõttu võetakse kasutusele piirkihi võrgusilma täpsustus, kasutades eksponentsiaalse kasvu seadust, kus algkõrgus (algkõrgus) on seatud väärtusele 0,1, kõrguse suhe (iga piirkihi suhe) 1,2, kihtide arv (piirkihtide arv) 3 ja kogukõrgus 0,7 ja kogukõrgus 0,7. Lõplik võrgusilma koguarv on ligikaudu 1,5 miljonit. Võttes näiteks DN80 neljatee anduri paigaldusnurga 50 kraadi, on võrgujaotuse tulemus näidatud joonisel 3.3.

Joonis 3.4: Kiiruse kontuurikaardid sisselaskevoolu kiirusel 10 m/s, paigaldusnurgad 50 kraadi ja 30 kraadi

Vedeliku jaotuse paremaks mõistmiseks torujuhtme sees erinevate paigaldusnurkade korral, võttes näitena kaks paigaldusnurkade 30-kraadise ja 50-kraadise juhtumi puhul, kui sisselaskevoolu kiirus on 10 m/s, on joonisel 3.4 näidatud esimese ja kolmanda raja kiiruskontuurkaardid.

Võtke meie insenerimeeskonnaga ühendust juba täna, et saada torujuhtme tingimuste ja mõõtmisnõuete tasuta teostatavushinnang.