Симулацијска студија ултразвучног мерача протока са екстерном стезаљком
Симулационо проучавање спољашњегстезати сеултразвучни мерач протокаукључује моделирање и симулацију принципа рада и перформанси мерача протока ради оптимизације његовог дизајна, побољшања тачности мерења или процене његових перформанси у различитим условима рада.
Нумеричко симулационо моделирање
Нумеричко симулационо моделирање се примењује за успостављање математичких модела за проток флуида и ширење ултразвучних таласа, укључујући једначине динамике флуида и акустичке једначине. Алати рачунарске динамике флуида (ЦФД) се користе за моделовање протока флуида. Ови алати могу симулирати турбуленцију, дистрибуцију брзине протока, итд., и анализирати утицај ширења ултразвучног таласа. На основу ЦФД-а, врши се акустичка анализа како би се симулирала пропагација и рефлексија ултразвучног сигнала. Софтвер за акустичну симулацију (као што је акустички модул у ЦОМСОЛ Мултипхисицс) може се користити да се ово заврши. Анализа коначних елемената (ФЕА) структуре ултразвучног сензора се спроводи да би се разумеле његове перформансе у различитим условима. ФЕА помаже у анализи ефеката термичког ширења, вибрација, итд., на резултате мерења. Контакт између сензора и цевовода се разматра у симулацији да би се проценио његов утицај на ултразвучни пренос.
Лабораторијска верификација и оптимизација
У лабораторији се за стварно мерење протока користи сто за испитивање протока, а резултати се упоређују са резултатима симулације како би се проверила тачност симулационог модела. Параметри симулационог модела се прилагођавају на основу експерименталних резултата да би се побољшала тачност предвиђања. Кроз симулацију, позиција сензора, дизајн фиксирања и начин инсталације су оптимизовани да би се побољшала тачност и стабилност мерења. Следећи правилностезаљка на смерницама за уградњу ултразвучног мерача протокаје кључно током овог процеса оптимизације, јер неправилна инсталација може значајно утицати на тачност мерења. Различити услови квара (као што су мехурићи, чврсте честице) се симулирају у симулацији да би се проценио њихов утицај на перформансе мерача протока. Током експерименталног процеса, физичка својства течности (као што су температура и притисак) морају се узети у обзир, пошто та својства утичу на брзину ширења ултразвучног таласа. Поред тога, шум и сметње у стварном окружењу могу утицати на квалитет ултразвучног сигнала, што такође захтева оптимизацију алгоритама за обраду сигнала кроз симулације и експерименте.
ЦОМСОЛ Мултипхисицс Симулатион Аналисис
Узимајући ЦОМСОЛ Мултипхисицс 5.6 софтвер као пример за конструкцију модела и анализу симулације, симулације могу анализирати утицај различитих углова, материјала цевовода, пречника цеви, ултразвучних фреквенција и метода инсталације на ширење ултразвучног таласа. Шематски дијаграм модела ултразвучног мерења протока приказан је на слици 3.6. Да бисмо побољшали рачунарску ефикасност решења 3Д модела, обично користимо симетрију да симулирамо половину канала да бисмо представили цео модел. Током процеса изградње модела, треба узети у обзир утицај различитих материјала цевовода на угао преламања ултразвука, као и различита хоризонтална растојања померања за два претварача инсталирана под различитим пречникима цеви.
Слика 3.6 Шематски дијаграм конструкције модела ултразвучног мерења протока
Методе уградње претварача
Да би се испунили општи захтеви за мерење различитих пречника цеви, различите радне фреквенције ултразвучних претварача и различите методе уградње претварача треба да се користе у ултразвучном мерењу протока. Тхестезаљка на типу ултразвучног мерача протокануди посебне предности у овом погледу, јер омогућава не-инвазивну инсталацију без потребе за сечењем цеви или заустављањем процеса. Уобичајене методе инсталације укључују В-облик, З-облик, Н-облик и В-облик. За проучавање утицаја различитих метода уградње претварача на сигнале ширења ултразвучних таласа, неопходно је спровести сродна истраживања. Овај чланак углавном користи симулацију модела уградње претварача облика З- као пример за демонстрацију.
Дисконтинуална Галеркинова метода и подела мреже
У ЦОМСОЛ Мултипхисицс 5.6 се користи интерфејс модул „Једначина конвекције, експлицитно временско подручје“, који подразумевано чини део формуле са квартичним функцијама. За решавање таласних проблема, Дисконтинуални Галеркин метод се показао као ефикасан метод. Дисконтинуални Галеркинов метод поједностављује проблем поделе мреже у великим моделима, дозвољавајући коришћење слободних тетраедарских мрежа са половичном-величином таласне дужине и коначно решавајући цео модел. У стварној подели мреже, обично постављамо величину елемента мреже на било коју вредност између половине таласне дужине и две-трећине таласне дужине да бисмо добили одговарајућу просторну резолуцију. Када се користи експлицитни решавач временског домена, величина интерног временског корака је строго контролисана од стране ЦОМСОЛ софтвера, тако да најмањи елемент мреже у моделу контролише временски корак. Приликом постављања слободних тетраедарских елемената мреже морају се контролисати максималне и минималне величине елемената. У ЦОМСОЛ Мултипхисицс 5.6, за експлицитни интерфејс временског домена „Једначина конвекције“{11}}, интерни временски корак се аутоматски бира на основу нивоа прецизирања мреже и физичких својстава. На слици 3.7 приказана је подела мреже за проучавање брзине позадинског тока и акустике коришћењем методе инсталације облика З{14}}.
(а) Брзина струјања у позадини (б) Акустика
Слика 3.7 Мрежна подела за проучавање брзине струјања у позадини и акустике у различитим временима
Конфигурација физичког поља
Након што је модел конструисан, потребно је поставити физичка поља. Домен течности у цевоводу је постављен као физичко поље ламинарног или турбулентног тока да би се симулирао флуид у цевоводу током стварне употребе; домен течности у цевоводу, цевовод и претварачи са обе стране цевовода су постављени као физичко поље „Једначина конвекције, експлицитно временско поље“ да би се симулирало ширење ултразвучних таласа. У подешавању физичког поља „Једначина конвекције, експлицитни временски домен“, крајеви цевовода су дефинисани као границе импедансе да би се скраћило израчунавање. У ламинарним или турбулентним симулацијама, улаз течности је лево, а излаз течности је десно. Акаиш наултразвучни мерач протокаконфигурација се успоставља са ултразвучним предајником инсталираним на доњој страни цевовода и пријемником инсталираним на горњој страни. Нормална брзина се примењује на крају предајника за емитовање ултразвучних таласа.
Моделирање и анализа стања флуида
Када користите ЦОМСОЛ Мултипхисицс 5.6 софтвер за ултразвучне симулације мерења протока, прво треба моделирати и анализирати стање флуида у цевоводу. Узимајући за пример ПВЦ цев спољашњег пречника 15 мм и дебљине зида од 0,75 мм, урађене су ламинарне и турбулентне симулације. Ове симулације су неопходне за разумевање какоултразвучни каиш на мерачу протокаобавља под различитим условима струјања. Симулација ламинарног тока користи модул „Ламинарни ток“ у ЦОМСОЛ Мултипхисицс 5.6 за подешавање физичког поља, а симулација турбулентног тока користи модул „Турбулентни ток, к-ω“. Слика 3.8 приказује величину позадинске брзине струјања у ламинарним и турбулентним условима.
Са слике 3.8 се може видети да је у условима ламинарног струјања брзина струјања у сваком делу цевовода скоро уједначена, блиска просечној брзини протока позадинског флуида. Према дијаграму, дубља боја у центру цевовода указује на већу брзину протока.
(а) Ламинарно струјање (б) Турбулентно струјање
Слика 3.8 Величина позадинске брзине струјања у различитим стањима флуида
Анализа брзине протока у позадини
Да би се јасније приказала брзина протока у сваком делу цевовода, изабран је део цевовода да би се нацртала крива брзине протока у позадини. На слици 3.9 приказане су криве брзине позадинског струјања у условима ламинарног и турбулентног струјања.
За ПВЦ цев спољашњег пречника 15 мм и дебљине зида од 0,75 мм урађена је симулациона анализа. Резултати симулације коришћењем модула "Ламинарни проток" приказани су на слици 3.9(а). Може се видети да се у стању ламинарног тока прелаз брзине протока дешава само у опсегу од 5 мм на површини цеви, док је брзина протока на другим локацијама око 10 м/с, што указује да течност доживљава заостајање протока у близини зида цеви услед трења цеви. Насупрот томе, резултати симулације коришћењем модула „Турбулентно струјање, к-ω“ приказани су на слици 3.9(б). Може се видети да под условом просечне брзине протока од 10 м/с, брзина протока у близини зида цеви износи око 4,5 м/с, а брзина протока у центру цевовода може да достигне приближно 12,2 м/с, при чему дистрибуција брзине протока формира параболички облик.
(а) Ламинарни ток
(б) Турбулентно струјање
Слика 3.9 Криве брзине протока у позадини под различитим стањима течности
