- Од ЛиуКсинга, вишег инжењера за мерење протока са 15+ година искуства у истраживању и развоју ултразвучних мерача протока,
сертификован за ЦФД анализу (АНСИС Флуент Профессионал)
Инжењерска вредност симулације структуре цевовода за уметање ултразвучног мерача протока
Зашто је потребна технологија симулације?
У практичном инжењерству, перформансе уметањаултразвучни мерачи протоказначајно утичу услови цевовода. Традиционалне методе се ослањају на поновљено-отклањање грешака на локацији, које не само да је скупо, већ може открити и дефекте у дизајну тек након пуштања у рад. Увођење симулационе технологије је променило ову ситуацију, омогућавајући инжењерима да идентификују и реше потенцијалне проблеме у фази пројектовања.
Његова основна вредност лежи у: преношењу „трошкова-и-пробних грешака“ са терена на рачунаре, замењујући скупе физичке експерименте нумеричким прорачунима.
Шест главних инжењерских проблема решених симулацијом
Како одредити положај сонде
Брзина протока у цевоводима није равномерно распоређена. Колена и вентили стварају локалне вртлоге, а постављање сонди у ове области ће довести до искривљених очитавања. Инжењери користе калкулације механике флуида да би визуелизовали векторе брзине у свакој тачки цевовода, бирајући на тај начин релативно стабилне пресеке поља протока-за уградњу сензора, што је неопходно за прецизно одређивање фактора корекције профила протока (ФПЦФ).
Пракса показује: мале разлике у углу нагиба сонде (на нивоу од 5 степени) ће променити стање протока у области мерења. Систематско тестирање конфигурација вишеструких углова да би се пронашло решење са минималном грешком је скоро непрактично у физичким експериментима, али рачунска анализа може да се заврши у року од неколико дана, узимајући у обзир ефекте избочења и удубљења трансдуктора.
Где је уско грло у прецизности
Ултразвучно мерење се ослања на принцип "временске разлике", а промене у параметрима флуида (температура, притисак, састав) утичу на брзину звука. Једноставне емпиријске формуле тешко могу да покрију све услове рада, посебно када се испуњавају захтеви за тачност преноса старатељства.
Симулација успоставља однос мапирања између улазних параметара и девијације мерења кроз анализу зависности Рејнолдсовог броја. На пример, када температура флуида варира ±10 степени, колико се мења брзина звука? Како се ова промена претвара у грешку протока? Са овим квантитативним подацима могу се дизајнирати ефикасни алгоритми температурне компензације.
Како се носити са сложеним стањима тока
Модел ламинарног тока у уџбеницима се ретко појављује у стварним цевоводима. Турбуленција, секундарни ток, па чак и гас{1}}течни двофазни{2}}ток доводе до тога да профили брзине озбиљно одступају од идеалних стања. Рачунарска динамика флуида (ЦФД) може да репродукује ове сложене феномене. Инжењерски случајеви показују: значајна асиметрија брзине и даље постоји 15 пречника цеви низводно од одређене кривине од 90 степени. Без разумевања овога, проток израчунат према стандардним претпоставкама поља протока може одступити за неколико процентних поена, посебно утичући на вишепутне ултразвучнемерач протокапрецизност интеграције.
Оптимизација путање ширења акустичног таласа
Ултразвучни таласи наилазе на сметње као што су рефлексије на зиду цеви, расипање завара и не{0}}уједначеност медија током ширења. Кумулативни ефекат ових фактора може ослабити јачину сигнала или увести шум.
Акустична симулација помоћу техника симулације праћења акустичних зрака открива стварну путању зрака унутар цевовода. Неке геометријске конфигурације производе "акустичне зоне сенки", што резултира изузетно слабим примљеним сигналима; друге конфигурације, иако имају јаке сигнале, имају вишепутне ефекте који узрокују изобличење таласног облика. Кроз упоредну анализу, инжењери могу да изаберу шему распореда са оптималним односом сигнал-на-шум.
Осигурање перформанси под ограничењима инсталације
Стандардне спецификације обично захтевају 20 пречника цеви узводног правог дела цеви, али услови на терену често не могу да испуне овај захтев. Трошкови модификације цевовода могу достићи стотине хиљада долара.
Симулација пружа процену изводљивости за „не-нестандардну инсталацију“. Израчунавањем степена опоравка поља протока под различитим дужинама равних пресека цеви, у комбинацији са компензацијом за више{2}}конфигурацију више путатехнологијекоришћењем Гаусс-Јацобијеве методе интеграције, квалификована тачност се може постићи у просторима са само 6-8 пречника цеви. Ово захтева прилагођену анализу за специфичне пројекте, а не само примену спецификација, истовремено осигуравајући валидацију усаглашености са ИСО 17089.
Применљивост на посебне медије
Радни услови као што су течности високог{0}}вискозитета, суспензије које садрже чврсте честице и гасови високог{1}}високотемпературног-притиска имају карактеристике протока које се значајно разликују од конвенционалних течности. Раскошна инсталација може довести до оштећења опреме или неуспеха мерења.
Симулација омогућава тестирање екстремних услова у виртуелним окружењима. На пример, израчунавање да ли ће ударна сила-тока гаса велике брзине на сонду изазвати структурну резонанцију кроз предвиђање фреквенције распадања вртлога; или анализира да ли ће фреквенција удара честица убрзати хабање сензора. Ове информације воде избор материјала и пројектовање структурне арматуре.
Границе техничке примене
Симулација није свемоћна. Његова тачност зависи од:
- Да ли математички модел покрива реалне физичке процесе
- Да ли су подешавања граничних услова у складу са стварним ситуацијама
- Да ли су рачунски ресурси довољни за рафинирано решење
За потпуно нове феномене протока или екстремне услове рада, резултати симулације захтевају валидацију експерименталних података. Ипак, симулација и даље може у великој мери сузити експериментални обим, фокусирати се на кључне параметре и значајно побољшати ефикасност истраживања и развоја.
Слика 3.1: Ултразвучни мерач протока{1}}типа за уметање
Слика 3.1 приказује најчешће коришћени ултразвучни мерач протока-типа. Његов принцип рада је да инсталира пар ултразвучних сензора на обе стране цевовода и постигне тачно мерење протока откривањем и израчунавањем разлике између брзина ултразвучног импулса у низводном и узводном току. Током процеса мерења, сензори наизменично емитују и примају ултразвучне сигнале у супротним смеровима. Ултразвучни сигнали се шире брже у низводном току него у узводном току; када течност мирује, временска разлика је нула. Стога, мерењем времена простирања ултразвучних таласа у низводном и узводном току, може се добити временска разлика т. Према односу између т и брзине протока В, просечна брзина протока флуида се може индиректно мерити, а запремински проток К може се израчунати на основу површине попречног пресека цевовода{7}}.
Дизајн канала за течност треба да узме у обзир брзину протока течности и опсег протока, при чему дизајн цевовода треба више да се фокусира на опсег брзине протока течности како би се обезбедила тачност мерења протока. Претерано висока или ниска брзина протока течности ће на крају утицати на карактеристике пропагације ултразвучних сигнала.
Димензије цевовода, односно унутрашњи пречник цевовода, треба да се поклапају са унутрашњим пречником мереног цевовода како би се смањиле сметње у протоку флуида и на тај начин избегле утицај на коначне резултате мерења. Потпорна структура у структури цевовода треба да изабере материјале отпорне на корозију-и отпорне на хабање{2}} како би се продужио век трајања; у исто време, потребан је разуман дизајн како би се осигурала његова стабилност под великом брзином протока или високим притиском. Ултразвучни претварач треба да изабере одговарајући тип ултразвучног претварача (као што је тип вођеног таласа или тип рефлексије) у складу са захтевима апликације, а затим да изабере одговарајући положај за инсталирање ултразвучног претварача како би се осигурало да ултразвучни сигнал може ефикасно да прође кроз цео цевовод.
Поред горе наведених фактора, истраживање које су спровели Танг Ксиаоиу[103] и други научници са Универзитета Џеђианг такође укључује: под условима савијања од 90 степени и савијања од 180 степени, утицај не-идеалне дистрибуције брзине протока на сваку акустичну путању ултразвучног мерача протока, посебно утицај на мерење брзине протока и мерење брзине протока у мерачу протока. Зханг Зхијун и Зху Иингсхенг[102] и други научници, на основу претходних истраживања, користили су технологију симулације ЦФД-а да спроведу симулациону анализу на 7 углова (у интервалима од 5 степени) између 30 степени и 60 степени за углове уградње ултразвучног претварача. Резултати показују да: различити углови уградње утичу на расподелу брзине протока у делу жлеба на акустичкој стази. Истовремено је анализирана релативна грешка између симулиране брзине протока и идеалне брзине струјања и утврђено је да је оптимални угао уградње претварача за пројектовани ултразвучни мерач протока гаса пречника ДН80 50 степени.
Истраживање симулације цевовода за ултразвучно мерење протока{0}}уметања
Симулационо истраживање разматра три аспекта:
Симулација динамике флуида, симулација ултразвучног ширења и симулација структурне механике. Користећи ЦФД (Цомпутатионал Флуид Динамицс) моделе, проток флуида унутар цевовода се може симулирати, а затим се могу анализирати ефекти фактора као што су дистрибуција брзине протока и вртложни ток на ширење ултразвучног сигнала. Током процеса симулације, могуће вртлоге, мехуриће итд. у течности треба проверити да би се избегле сметње у ултразвучном мерењу колико год је то могуће.
Узимајући за пример утицај различитих углова уградње претварача на расподелу брзине протока, ако је укупна дужина тела мерача протока цевовода Л=230 мм, а пречник Д=80 мм. Поставите угао уградње сонде на 30 степени ~60 степени и поставите симулациони модел у интервалима од 5 степени. Различити углови уградње приказани су на слици 3.2. Да би се смањила потрошња рачунарске меморије и рачунарско оптерећење када софтвер АНСИС врши симулацију, ЦФД модел гасног ултразвучног мерача протока може се донекле поједноставити, само узимајући у обзир успостављање унутрашњег пречника кућишта мерача протока и модела претварача, док се остатак привремено игнорише.
Геометријски модел је подељен на три дела: предњи цевовод, ултразвучни гасни мерач протока и задњи цевовод. Међу њима, предњи и задњи цевоводи усвајају структурирану мрежу, средњи гасни ултразвучни мерач протока усваја тетраедарску мрежу, а површинска веза интерфејса се користи на тачкама повезивања, са пречишћавањем мреже на површинама везе. Излазни и улазни равни цевовод прихватају структурирану мрежу као хексаедарну мрежу, са максималном величином мреже постављеном на 2, Размак1 (размак мреже првог граничног слоја) од 1,5, Ратио1 (брзина раста мреже првог граничног слоја) од 2, Размак2 (размак мреже другог граничног слоја) и гранични слој мреже Ратио2 (брзина раста мреже) од 1,5. 2. Максимална величина мреже одељка тела ултразвучног мерача протока гаса је 5; локално пречишћавање се примењује на мрежу претварача са максималном величином мреже од 1,5; локално пречишћавање се примењује на мрежу интерфејса, задржавајући величину мреже на 2.
Слика 3.2 Шематски дијаграм претварача под различитим угловима инсталације
Графикон резултата оптимизације угла трансдуктора
| Угао | Интензитет вртлога | Пад притиска | Прецизност | Најбоља апликација |
|---|---|---|---|---|
| 30 степени | Високо (15% грешке) | 12% од ΔП | ±1.5% | Не препоручује се |
| 40 степени | Средње | 8% од ΔП | ±1.0% | Низак Ре број |
| 50 степени | Ниско | 5% ΔП | ±0.5% | Оптимално (ДН80) |
| 60 степени | Средње | 7% од ΔП | ±0.8% | Велика брзина |
Избор и подешавање софтвера за ЦФД симулацију
АНСИС Флуент против ЦОМСОЛ-а:Шта је боље за симулацију ултразвучног мерача протока?
Поређење модела турбуленције:к-ε вс к-ω ССТ вс РСМ за Реинолдсов број 10⁴-10⁷
Критеријуми квалитета мреже:и+ < 1, однос страница < 100, закривљеност < 0,85
Слика 3.3: Модел моделирања
Због великог градијента брзине у близини површине зида, усвојено је пречишћавање мреже граничног слоја, коришћењем закона експоненцијалног раста, са почетном висином (почетна висина) постављеном на 0,1, односом висине (однос сваког граничног слоја) од 1,2, бројем слојева (број граничних слојева) од 3, и укупна висина граничног слоја од 3,0 (укупна висина граничног слоја). Коначан укупан број мрежа је приближно 1,5 милиона. Узимајући угао уградње сонде са четири путање ДН80 од 50 степени као пример, резултат поделе мреже је приказан на слици 3.3.
Слика 3.4: Карте контуре брзине при брзини улазног протока од 10 м/с, углови инсталације од 50 степени и 30 степени
Да бисмо боље разумели дистрибуцију флуида унутар цевовода под различитим угловима инсталације, узимајући као примере два случаја углова уградње од 30 степени и 50 степени, када је улазна брзина протока 10 м/с, контурне мапе брзине путева један и три приказане су на слици 3.4.
ФАК
П: Да ли структурални дизајн треба да узме у обзир карактеристике течности (као што су вискозност, мехурићи, суспендоване чврсте материје)?
О: Веома је неопходно, различите карактеристике течности имају различите ефекте на ултразвучни пренос: Течности високог{0}}вискозитета захтевају јачи погон сигнала и дизајн осетљивости пријемника. Медији са мехурићима или суспендованим чврстим материјама изазивају расипање сигнала, тако да су потребни виши СНР и алгоритми за филтрирање сигнала. Стога, структуру и избор претварача треба оптимизовати на основу измерених услова рада.
П: Може ли дизајн инсерције{0}}тип ултразвучногФлов МетерПодршка за-надгледање{1}}у реалном времену и даљинску дијагностику на сајту?
О: Модерни дизајни често интегришу: 4-20 мА / Модбус / ХАРТ излазне интерфејсе. Функција самодијагнозе (квалитет сигнала, детекција статуса течности, итд.). Може се интегрисати са ПЛЦ / ДЦС или ИИоТ платформама за даљинско праћење и рано упозорење, побољшавајући оперативну ефикасност.
П: Да ли је структура типа уметања{0}}прикладна за услове великог-пречника и високог{2}}протока?
О: Да, у поређењу са уграђеним-прирубничким типом, структура са уметнутим{1}}типом смањује цену отварања и погоднија је за апликације великог-пречника. Међутим, при дизајну треба обратити пажњу на следеће: Подесите одговарајућу дубину и угао уметања сонде. Користите материјале велике{5}}врсте да бисте подржали велике-смичне силе протока. Размотрите утицај расподеле брзине и Рејнолдсовог броја на путању мерења.
П: Да ли инсталациона структура има високе захтеве за равне делове цеви? Како то ублажава изобличење протока?
О: Да, пошто се ултразвучна мерења ослањају на стабилно поље протока, структуре типа уметања{0}} често захтевају узводно веће од или једнако 10 Д, низводно веће од или једнако 5 Д равни цеви како би се осигурало да је профил брзине у потпуности развијен. У дизајну се може користити следеће: Оптимизација угла и положаја сонде (угао или угао путање звука), Контролисање удаљености сонде-од зида, Плоче за корекцију поља протока или структуре за вођење протока.
Контактирајте наш инжењерски тим данас за бесплатну процену изводљивости услова вашег цевовода и захтева за мерење.
