- LiuXing, vanhempi virtausmittausinsinööri, jolla on 15+ vuoden kokemus ultraäänivirtausmittarin tutkimus- ja kehitystyöstä,

sertifioitu CFD-analyysissä (ANSYS Fluent Professional)

Ultraäänivirtausmittarin putkilinjarakenteen simulaation tekninen arvo

Miksi simulaatiotekniikkaa tarvitaan?

Käytännön suunnittelussa suorituskyvyn lisääminenultraäänivirtausmittaritputkilinjan olosuhteet vaikuttavat siihen merkittävästi. Perinteiset menetelmät perustuvat toistuvaan-sivuston virheenkorjaukseen, joka ei ole vain kallista, vaan saattaa myös paljastaa suunnitteluvirheet vasta käyttöönoton jälkeen. Simulaatiotekniikan käyttöönotto on muuttanut tilannetta, jolloin insinöörit voivat tunnistaa ja ratkaista mahdolliset ongelmat suunnitteluvaiheessa.

Sen ydinarvo on: "kokeilu--ja-virhekustannusten" siirtäminen kentältä tietokoneille, kalliiden fyysisten kokeiden korvaaminen numeerisilla laskelmilla.

Kuusi suurta teknistä ongelmaa ratkaistu simuloinnilla

Kuinka määrittää anturin sijainti

Putkilinjojen virtausnopeus ei ole jakautunut tasaisesti. Kulmat ja venttiilit luovat paikallisia pyörteitä, ja anturien asentaminen näille alueille johtaa vääristyneisiin lukemiin. Insinöörit käyttävät nestemekaniikan laskelmia nopeusvektorien visualisoimiseen putkilinjan jokaisessa pisteessä ja valitsevat näin suhteellisen vakaat virtauskentän poikkileikkaukset anturien asennusta varten, mikä on välttämätöntä tarkan virtausprofiilin korjauskertoimen (FPCF) määrittämiseksi.

Käytäntö osoittaa: pienet erot anturin kaltevuuskulmassa (5 asteen tasolla) muuttavat virtaustilaa mittausalueella. Useiden kulmakonfiguraatioiden systemaattinen testaaminen ratkaisun löytämiseksi mahdollisimman pienellä virheellä on lähes epäkäytännöllistä fysikaalisissa kokeissa, mutta laskennallinen analyysi voidaan suorittaa muutamassa päivässä samalla kun otetaan huomioon anturin ulkonema ja syvennysvaikutukset.

Missä on tarkkuuden pullonkaula

Ultraäänimittaus perustuu "aikaero"-periaatteeseen, ja nesteen parametrien (lämpötila, paine, koostumus) muutokset vaikuttavat äänen nopeuteen. Yksinkertaisia ​​empiirisiä kaavoja on vaikea kattaa kaikki toimintaolosuhteet, varsinkin kun säilytyssiirron tarkkuusvaatimukset täyttyvät.

Simulaatio määrittää syöttöparametrien ja mittauspoikkeaman välisen kartoitussuhteen Reynoldsin lukuriippuvuusanalyysin avulla. Esimerkiksi kun nesteen lämpötila vaihtelee ±10 astetta, kuinka paljon äänen nopeus muuttuu? Miten tämä muutos muuttuu virtausvirheeksi? Näillä kvantitatiivisilla tiedoilla voidaan suunnitella tehokkaita lämpötilan kompensointialgoritmeja.

Kuinka käsitellä monimutkaisia ​​virtaustiloja

Oppikirjojen laminaarivirtausmalli esiintyy harvoin todellisissa putkistoissa. Turbulenssi, toisiovirtaus ja jopa kaasu-nestemäinen kaksivaiheinen-virtaus aiheuttavat nopeusprofiilien vakavan poikkeaman ihanteellisista tiloista. Computational Fluid Dynamics (CFD) voi toistaa nämä monimutkaiset ilmiöt. Tekniset tapaukset osoittavat: merkittävää nopeuden vinoutta esiintyy edelleen 15 putken halkaisijan päässä tietystä 90 asteen mutkasta. Ymmärtämättä tätä standardien virtauskenttäoletusten mukaan laskettu virtaus voi poiketa useita prosenttiyksiköitä, mikä vaikuttaa erityisesti monitie-ultraääniin.virtausmittariintegroinnin tarkkuus.

Akustisen aallon leviämispolun optimointi

Ultraääniaallot kohtaavat etenemisen aikana häiriöitä, kuten putken seinämän heijastuksia, hitsin sirontaa ja keskitason epätasaisuutta. Näiden tekijöiden kumulatiivinen vaikutus voi heikentää signaalin voimakkuutta tai aiheuttaa kohinaa.

Akustinen simulointi akustisen säteen jäljityksen simulointitekniikoilla paljastaa putkilinjojen sisällä olevien säteiden todellisen liikeradan. Jotkut geometriset konfiguraatiot tuottavat "akustisia varjovyöhykkeitä", mikä johtaa erittäin heikkoihin vastaanotettuihin signaaleihin; muissa kokoonpanoissa, vaikka niillä onkin voimakkaita signaaleja, on monitievaikutuksia, jotka aiheuttavat aaltomuodon vääristymiä. Vertailevan analyysin avulla suunnittelijat voivat valita järjestelymallin, jolla on optimaalinen signaali---kohinasuhde.

Suorituskyvyn vakuutus asennusrajoitusten alaisena

Vakiomääritykset edellyttävät tyypillisesti 20 putken halkaisijaa ylävirran suorassa putkiosuudessa, mutta kenttäolosuhteet eivät useinkaan täytä tätä vaatimusta. Putkilinjan muutoskustannukset voivat nousta satoihin tuhansiin dollareihin.

Simulaatio tarjoaa toteutettavuusarvioinnin "ei--standardiasennukselle". Laskemalla virtauskentän palautumisaste eri suorien putkenosien pituuksilla yhdistettynä usean-polun konfiguraatiokompensaatioonteknologiaaGauss{0}}Jacobi-integrointimenetelmää käyttämällä voidaan saavuttaa laadukas tarkkuus tiloissa, joissa on vain 6-8 putken halkaisijaa. Tämä edellyttää räätälöityä analyysiä tietyille projekteille sen sijaan, että sovellettaisiin vain spesifikaatioita ja samalla varmistetaan ISO 17089 -vaatimustenmukaisuus.

Soveltuvuus erikoismediaan

Käyttöolosuhteissa, kuten korkean{0}}viskositeettisilla nesteillä, kiinteitä hiukkasia sisältävillä lietteillä ja korkean-lämpötilojen-painekaasuilla, on virtausominaisuudet, jotka eroavat merkittävästi perinteisistä nesteistä. Ihottuma-asennus voi johtaa laitevaurioon tai mittausvirheeseen.

Simulaatio mahdollistaa ääriolosuhteiden testaamisen virtuaaliympäristöissä. Esimerkiksi lasketaan, aiheuttaako suuren-nopeuden kaasuvirtauksen iskuvoima koettimeen rakenteellista resonanssia pyörteenpoistotaajuuden ennustamisen kautta; tai analysoimalla, nopeuttaako hiukkasten törmäystaajuus anturin kulumista. Nämä tiedot ohjaavat materiaalin valintaa ja rakenteiden vahvistamista.

Teknisen soveltamisen rajat

Simulaatio ei ole kaikkivoipa. Sen tarkkuus riippuu:

• Kattaako matemaattinen malli todelliset fysikaaliset prosessit
• Vastaavatko rajaehtoasetukset todellisia tilanteita
• Riittävätkö laskennalliset resurssit hienostuneeseen ratkaisuun

Täysin uusille virtausilmiöille tai äärimmäisille käyttöolosuhteille simulointitulokset vaativat kokeellisen datan validoinnin. Siitä huolimatta simulointi voi silti kaventaa kokeellista laajuutta, keskittyä avainparametreihin ja parantaa merkittävästi tutkimuksen ja kehityksen tehokkuutta.

Kuva 3.1: Insertion-type Ultrasonic Flowmeter

Kuva 3.1 esittää yleisesti käytettyä insertio-tyyppistä ultraäänivirtausmittaria. Sen toimintaperiaate on asentaa pari ultraäänianturia putkilinjan molemmille puolille ja saavuttaa tarkka virtausmittaus havaitsemalla ja laskemalla ultraäänipulssin nopeuksien välinen ero myötä- ja vastavirtaan. Mittausprosessin aikana anturit vuorotellen lähettävät ja vastaanottavat ultraäänisignaaleja vastakkaisiin suuntiin. Ultraäänisignaalit etenevät nopeammin myötävirtaan kuin vastavirtaan; kun neste on paikallaan, aikaero on nolla. Siksi mittaamalla ultraääniaaltojen etenemisaika myötä- ja vastavirtavirrassa voidaan saada aikaero t. t:n ja virtausnopeuden V välisen suhteen mukaan nesteen keskimääräinen virtausnopeus voidaan mitata epäsuorasti ja tilavuusvirtaus Q voidaan laskea putkilinjan poikki{7}}poikkipinta-alan perusteella.

Nestekanavan suunnittelussa tulee ottaa huomioon nesteen virtausnopeus ja virtausalue, jolloin putkilinjan suunnittelussa on keskityttävä enemmän nesteen virtausnopeusalueeseen virtauksen mittauksen tarkkuuden varmistamiseksi. Liian suuri tai alhainen nesteen virtausnopeus vaikuttaa viime kädessä ultraäänisignaalien etenemisominaisuuksiin.

Putkilinjan mittojen, eli putkilinjan sisähalkaisijan, on vastattava mitatun putkilinjan sisähalkaisijaa, jotta nesteen virtaus häiriintyy ja näin vältytään vaikuttamasta lopullisiin mittaustuloksiin. Putkilinjan rakenteen tukirakenteen tulee valita korroosionkestäviä-ja kulutusta-kestäviä materiaaleja käyttöiän pidentämiseksi. samaan aikaan tarvitaan järkevää suunnittelua sen vakauden varmistamiseksi suuressa virtausnopeudessa tai korkeassa paineessa. Ultraäänianturin on valittava sopiva ultraäänianturityyppi (kuten ohjattu aaltotyyppi tai heijastustyyppi) sovellusvaatimusten mukaan ja valittava sitten sopiva paikka ultraäänianturien asentamiseksi varmistaakseen, että ultraäänisignaali voi kulkea tehokkaasti koko putkilinjan läpi.
Yllä olevien tekijöiden lisäksi Tang Xiaoyun[103] ja muiden Zhejiangin yliopiston tutkijoiden tekemä tutkimus sisältää myös: 90 asteen taivutus- ja 180 asteen taivutusolosuhteissa ei--ideaalisen virtausnopeuden jakautumisen vaikutus ultraäänivirtausmittarin jokaiseen akustiseen reittiin, erityisesti vaikutus virtausnopeuden mittaukseen ja virtausnopeuden mittaukseen. Zhang Zhijun ja Zhu Yingsheng[102] ja muut tutkijat käyttivät aikaisempaan tutkimukseen perustuen CFD-simulaatioteknologiaa simulaatioanalyysin suorittamiseen 7 kulmassa (5 asteen välein) 30 asteen ja 60 asteen välillä ultraääniantureiden asennuskulmille. Tulokset osoittavat, että: Eri asennuskulmat vaikuttavat virtausnopeuden jakautumiseen akustisen reitin uraosassa. Samalla analysoitiin suhteellinen virhe simuloidun virtausnopeuden ja ihanteellisen virtausnopeuden välillä ja määritettiin, että optimaalinen anturin asennuskulma suunnitellun DN80-läpimittaisen kaasu-ultraäänivirtausmittarin kohdalla on 50 astetta.

Insertion{0}}type Ultrasonic Flow Measurement Pipeline Simulation Research

Simulaatiotutkimus ottaa huomioon kolme näkökohtaa:

Nestedynamiikan simulointi, ultraääni-etenemissimulaatio ja rakennemekaniikan simulointi. CFD-malleilla (Computational Fluid Dynamics) voidaan simuloida nestevirtausta putkilinjan sisällä ja sitten analysoida tekijöiden, kuten virtausnopeusjakauman ja pyörteen virtauksen vaikutuksia ultraäänisignaalin etenemiseen. Simulointiprosessin aikana nesteessä olevat mahdolliset pyörteet, kuplat jne. tulee tarkistaa, jotta vältetään mahdollisimman paljon häiriötä ultraäänimittauksessa.
Otetaan esimerkiksi erilaisten anturin asennuskulmien vaikutus virtausnopeuden jakautumiseen, jos putkilinjan virtausmittarin rungon kokonaispituus on L=230 mm ja halkaisija D=80 mm. Aseta anturin asennuskulma 30 astetta ~ 60 astetta ja luo simulaatiomalli 5 asteen välein. Eri asennuskulmat on esitetty kuvassa 3.2. Tietokoneen muistin kulutuksen ja laskennallisen kuormituksen vähentämiseksi ANSYS-ohjelmiston suorittaessa simulointia kaasuultraäänivirtausmittarin CFD-mallia voidaan yksinkertaistaa jossain määrin, kun otetaan huomioon vain virtausmittarin kotelon sisähalkaisija ja anturin malli, muut jätetään väliaikaisesti huomiotta.
Geometrinen malli on jaettu kolmeen osaan: etuputki, kaasun ultraäänivirtausmittari ja takaputki. Niiden joukossa etu- ja takaputkilinjat käyttävät strukturoitua verkkoa, keskimmäinen ultraäänivirtausmittari käyttää tetraedristä verkkoa, ja liitospisteissä käytetään rajapintaliitäntää, jossa on verkkojalostus liitospinnoilla. Ulostulo- ja tulosuorat putkilinjat käyttävät rakenteellista verkkoa kuusikulmaisena verkkona, jonka enimmäissilmäkoko on asetettu 2:ksi, väli1 (ensimmäisen rajakerroksen silmäväli) 1,5, Ratio1 (ensimmäisen rajakerroksen silmän kasvunopeus) 2, Spacing2 (toisen rajakerroksen verkkovälin 2,5se) jacondcond. silmän kasvunopeus) 2. Kaasun ultraäänivirtausmittarin runko-osan suurin silmäkoko on 5; paikallinen hienosäätö kohdistetaan anturin verkkoon, jonka silmäkoko on enintään 1,5; rajapintaverkkoon sovelletaan paikallista tarkennusta, jolloin silmäkoko pidetään 2:ssa.

Kuva 3.2 Kaavio antureista eri asennuskulmissa

Anturin kulman optimoinnin tulostaulukko

CFD-simulointiohjelmiston valinta ja asennus

ANSYS Fluent vs COMSOL:Kumpi on parempi ultraäänivirtausmittarin simulointiin?
Turbulenssimallin vertailu:k-ε vs k-ω SST vs RSM Reynoldsin numerolla 10⁴-10⁷
Verkon laatukriteerit:y+ < 1, kuvasuhde < 100, vinous < 0,85

Kuva 3.3: Mallinnusmalli

Seinän pinnan lähellä olevan suuren nopeusgradientin vuoksi rajakerroksen mesh-tarkennus otetaan käyttöön käyttämällä eksponentiaalista kasvulakia siten, että alkukorkeus (alkukorkeus) on 0,1, korkeussuhde (kunkin rajakerroksen suhde) 1,2, kerrosten lukumäärä (rajakerrosten määrä) 3 ja kokonaiskorkeus 0,7 (kokonaiskorkeus.7). Lopullinen kokonaissilmämäärä on noin 1,5 miljoonaa. Esimerkkinä DN80-neli-reittianturin asennuskulma 50 astetta, verkkojakotulos näkyy kuvassa 3.3.

Kuva 3.4: Nopeuskäyräkartat tulovirtauksen nopeudella 10 m/s, asennuskulmat 50 astetta ja 30 astetta

Jotta voitaisiin ymmärtää paremmin nesteen jakautuminen putkilinjan sisällä eri asennuskulmissa, esimerkkinä kaksi tapausta, joissa asennuskulmat ovat 30 astetta ja 50 astetta, kun tulovirtauksen nopeus on 10 m/s, kulkureittien 1 ja 3 nopeuskäyräkartat on esitetty kuvassa 3.4.

Ota yhteyttä suunnittelutiimiimme tänään saadaksesi ilmaisen toteutettavuusarvioinnin putkilinjasi olosuhteista ja mittausvaatimuksista.