Ulkoisen puristimen ultraäänivirtausmittarin simulaatiotutkimus
Ulkoisen simulaatiotutkimuspuristaa kiinniultraäänivirtausmittarisisältää virtausmittarin toimintaperiaatteen ja suorituskyvyn mallintamisen ja simuloinnin sen suunnittelun optimoimiseksi, mittaustarkkuuden parantamiseksi tai sen suorituskyvyn arvioimiseksi erilaisissa käyttöolosuhteissa.
Numeerinen simulaatiomallinnus
Numeerista simulaatiomallinnusta käytetään nestevirtauksen ja ultraääniaallon etenemisen matemaattisten mallien muodostamiseen, mukaan lukien nestedynamiikan yhtälöt ja akustiset yhtälöt. Computational Fluid Dynamics (CFD) -työkaluja käytetään nestevirran mallintamiseen. Nämä työkalut voivat simuloida turbulenssia, virtausnopeuden jakautumista jne. ja analysoida ultraääniaallon etenemisen vaikutusta. CFD:n perusteella suoritetaan akustinen analyysi ultraäänisignaalin etenemisen ja heijastuksen simuloimiseksi. Tämän suorittamiseen voidaan käyttää akustista simulointiohjelmistoa (kuten COMSOL Multiphysicsin akustista moduulia). Ultraäänianturirakenteen Finite Element Analysis (FEA) -analyysi suoritetaan sen suorituskyvyn ymmärtämiseksi eri olosuhteissa. FEA auttaa analysoimaan lämpölaajenemisen, tärinän jne. vaikutuksia mittaustuloksiin. Anturin ja putkilinjan välinen kosketus otetaan huomioon simulaatiossa sen vaikutuksen arvioimiseksi ultraääniläpäisyssä.
Laboratoriotarkastus ja optimointi
Laboratoriossa varsinaiseen virtausmittaukseen käytetään virtaustestipenkkiä ja tuloksia verrataan simulaatiotuloksiin simulaatiomallin tarkkuuden varmistamiseksi. Simulaatiomallin parametreja säädetään kokeellisten tulosten perusteella ennustetarkkuuden parantamiseksi. Simuloinnin avulla anturin sijainti, kiinnitysrakenne ja asennustapa optimoidaan mittaustarkkuuden ja vakauden parantamiseksi. Oikein perässäkiinnitä ultraäänivirtausmittarin asennusohjeeton ratkaisevan tärkeää tässä optimointiprosessissa, koska virheellinen asennus voi vaikuttaa merkittävästi mittausten tarkkuuteen. Simulaatiossa simuloidaan erilaisia vikatiloja (kuten kuplia, kiinteitä hiukkasia) niiden vaikutusten arvioimiseksi virtausmittarin suorituskykyyn. Kokeiluprosessin aikana on otettava huomioon nesteen fysikaaliset ominaisuudet (kuten lämpötila ja paine), koska nämä ominaisuudet vaikuttavat ultraääniaallon etenemisnopeuteen. Lisäksi kohina ja häiriöt todellisessa ympäristössä voivat vaikuttaa ultraäänisignaalin laatuun, mikä edellyttää myös signaalinkäsittelyalgoritmien optimointia simulaatioiden ja kokeiden avulla.
COMSOL Multiphysics Simulation Analysis
Ottamalla COMSOL Multiphysics 5.6 -ohjelmiston esimerkkinä mallien rakentamiseen ja simulointianalyysiin, simulaatioilla voidaan analysoida eri kulmien, putkilinjojen materiaalien, putkien halkaisijoiden, ultraäänitaajuuksien ja asennusmenetelmien vaikutusta ultraääniaallon etenemiseen. Ultraäänivirtausmittausmallin kaaviokuva on esitetty kuvassa 3.6. 3D-malliratkaisun laskentatehokkuuden parantamiseksi käytämme yleensä symmetriaa simuloimaan puolet kanavasta edustamaan koko mallia. Mallin rakentamisprosessin aikana tulee ottaa huomioon erilaisten putkistomateriaalien vaikutus ultraäänitaitekulmaan sekä kahdelle eri putken halkaisijalle asennetun muuntimen erilaiset vaakasuuntaiset siirtymäetäisyydet.
Kuva 3.6 Ultraäänivirtausmittausmallin rakentamisen kaavio
Anturin asennusmenetelmät
Erilaisten putkien halkaisijoiden mittauksen yleisten vaatimusten täyttämiseksi ultraäänivirtausmittauksessa tulisi käyttää erilaisia ultraääniantureiden työtaajuuksia ja erilaisia anturin asennusmenetelmiä. Thekiinnitys tyyppiseen ultraäänivirtausmittariintarjoaa tässä suhteessa erityisiä etuja, koska se mahdollistaa ei-invasiivisen asennuksen ilman putken leikkaamista tai prosessin pysäyttämistä. Yleisiä asennusmenetelmiä ovat V--muoto, Z--muoto, N--muoto ja W--muoto. Erilaisten antureiden asennusmenetelmien vaikutuksen selvittämiseksi ultraääniaallon etenemissignaaleihin on tehtävä asiaan liittyvä tutkimus. Tässä artikkelissa käytetään pääasiassa Z-muoto-anturin asennusmenetelmän mallinnussimulaatiota esimerkkinä esittelyyn.
Epäjatkuva Galerkin Method and Grid Division
COMSOL Multiphysics 5.6:ssa käytetään "Convection Equation, Time Domain Explicit" -liitäntämoduulia, ja se on oletuksena osa kaavaa, jossa on kvartsifunktioita. Discontinuous Galerkin -menetelmä on osoittautunut tehokkaaksi menetelmäksi aaltoongelmien ratkaisemiseksi. Discontinuous Galerkin -menetelmä yksinkertaistaa ruudukon jakoongelmaa suurissa malleissa sallien vapaita tetraedrisäloja, joiden aallonpituus on puoli-koko, ja lopulta ratkaisee koko mallin. Varsinaisessa ruudukon jaossa asetamme tavallisesti ruudukon elementin koon mihin tahansa arvoon puolen aallonpituuden ja kahden -kolmanteen välillä aallonpituudesta sopivan spatiaalisen resoluution saavuttamiseksi. Kun käytetään aika-domain explicit -ratkaisijaa, sisäistä aikaaskelkokoa säätelee tarkasti COMSOL-ohjelmisto, joten mallin pienin ruudukkoelementti ohjaa aikaaskelta. Asetettaessa vapaita tetraedrisiä ruudukkoelementtejä, elementtien enimmäis- ja vähimmäiskokoja on valvottava. COMSOL Multiphysics 5.6:ssa "Convection Equation" time{11}}domain explicit -rajapinnalle sisäinen aikavaihe valitaan automaattisesti ruudukon tarkennustason ja fyysisten ominaisuuksien perusteella. Kuva 3.7 esittää ruudukon jakoa taustavirtauksen nopeuden ja akustiikan tutkimiseksi Z--muodon asennusmenetelmällä.
(a) Taustavirtausnopeus (b) Akustiikka
Kuva 3.7 Grid-jako taustavirtauksen nopeuden ja akustiikan tutkimiseen eri aikoina
Fyysisen kentän konfigurointi
Kun malli on rakennettu, fyysiset kentät on asetettava. Liukulinjan nestealue on asetettu laminaariseen tai turbulenttiseen virtauksen fyysiseen kenttään simuloimaan putkilinjassa olevaa nestettä todellisen käytön aikana; putkilinjan nestealue, putkilinja ja anturit putkilinjan molemmilla puolilla on asetettu "Convection Equation, Time Domain Explicit" -fyysiseksi kenttään ultraääniaaltojen etenemisen simuloimiseksi. Fyysisen kentän "Convection Equation, Time Domain Explicit" -asetuksessa liukuhihnan päät määritellään impedanssirajoiksi laskennan katkaisemiseksi. Laminaari- tai turbulenttisissa simulaatioissa nesteen sisääntulo on vasemmalla ja nesteen ulostulo oikealla. Ahihna päälläultraäänivirtausmittarikokoonpano määritetään ultraäänilähettimellä, joka on asennettu putkilinjan alapuolelle, ja vastaanottimella asennettuna yläpuolelle. Lähettimen päässä käytetään normaalia nopeutta ultraääniaaltojen lähettämiseksi.
Fluid-tilan mallinnus ja analyysi
Käytettäessä COMSOL Multiphysics 5.6 -ohjelmistoa ultraäänivirtausmittaussimulaatioihin, putkilinjan nestetila on ensin mallinnettava ja analysoitava. Ottaen esimerkkinä PVC-putken, jonka ulkohalkaisija on 15 mm ja seinämän paksuus 0,75 mm, suoritettiin laminaariset ja turbulenssisimulaatiot. Nämä simulaatiot ovat välttämättömiä sen ymmärtämiseksi, kuinkaultraäänihihna virtausmittarissatoimii erilaisissa virtausolosuhteissa. Laminaarivirtaussimulaatiossa käytetään COMSOL Multiphysics 5.6:n "Laminar Flow" -moduulia fyysisen kentän asettamiseen, ja turbulenttisen virtauksen simulaatiossa käytetään "Turbulent Flow, k-ω" -moduulia. Kuva 3.8 esittää taustavirtausnopeuden suuruutta laminaarisissa ja turbulenteissa olosuhteissa.
Kuvasta 3.8 voidaan nähdä, että laminaarisissa virtausolosuhteissa virtausnopeus putkilinjan jokaisessa osassa on lähes tasainen, lähellä taustanesteen keskimääräistä virtausnopeutta. Kaavion mukaan syvempi väri putkilinjan keskellä osoittaa suurempaa virtausnopeutta.
(a) Laminaarivirtaus (b) Turbulenttinen virtaus
Kuva 3.8 Taustavirtauksen nopeuden suuruus eri nestetiloissa
Taustavirtausnopeusanalyysi
Virtausnopeuden näyttämiseksi selkeämmin putkilinjan kussakin osassa, putkilinjan osa valittiin piirtämään taustavirtausnopeuskäyrä. Kuva 3.9 esittää taustavirtauksen nopeuskäyrät laminaarisissa ja turbulenttisissa virtausolosuhteissa.
PVC-putkelle, jonka ulkohalkaisija on 15 mm ja seinämän paksuus 0,75 mm, suoritettiin simulaatioanalyysi. Simulaatiotulokset käyttämällä "Laminaarivirtaus"-moduulia on esitetty kuvassa 3.9(a). Voidaan nähdä, että laminaarisessa virtaustilassa virtausnopeuden muutos tapahtuu vain 5 mm:n alueella putken pinnalla, kun taas virtausnopeus muissa kohdissa on noin 10 m/s, mikä viittaa siihen, että neste kokee virtausviivettä putken seinämän lähellä putken kitkan vuoksi. Sitä vastoin simulaatiotulokset käyttämällä "Turbulent Flow, k-ω" -moduulia on esitetty kuvassa 3.9(b). Voidaan nähdä, että keskimääräisen virtausnopeuden ollessa 10 m/s virtausnopeus lähellä putken seinämää on noin 4,5 m/s ja virtausnopeus putken keskellä voi olla noin 12,2 m/s, jolloin virtausnopeusjakauma muodostaa parabolisen muodon.
(a) Laminaarivirtaus
(b) Turbulentti virtaus
Kuva 3.9 Taustavirtausnopeuskäyrät eri nestetiloissa
Saatat myös olla kiinnostunut näistä aiheista.
