Studiu de simulare a debitmetrului cu ultrasunete cu clemă externă: optimizarea designului, îmbunătățirea preciziei

Studiu de simulare a debitmetrului cu ultrasunete cu clemă externă

Studiul de simulare al exterioruluiclemă pedebitmetru cu ultrasuneteimplică modelarea și simularea principiului de funcționare și a performanței debitmetrului pentru a optimiza proiectarea acestuia, a îmbunătăți acuratețea măsurării sau a evalua performanța acestuia în diferite condiții de funcționare.

Modelare prin simulare numerică

Modelarea de simulare numerică este aplicată pentru a stabili modele matematice pentru fluxul de fluid și propagarea undelor ultrasonice, inclusiv ecuații de dinamică a fluidelor și ecuații acustice. Instrumentele de dinamică computațională a fluidelor (CFD) sunt folosite pentru a modela fluxul fluidului. Aceste instrumente pot simula turbulențele, distribuția vitezei de curgere etc. și pot analiza impactul propagării undelor ultrasonice. Pe baza CFD, se efectuează analiza acustică pentru a simula propagarea și reflectarea semnalului ultrasonic. Software-ul de simulare acustică (cum ar fi modulul acustic din COMSOL Multiphysics) poate fi utilizat pentru a finaliza acest lucru. Analiza cu elemente finite (FEA) a structurii senzorului ultrasonic este efectuată pentru a înțelege performanța acesteia în diferite condiții. FEA ajută la analiza efectelor expansiunii termice, vibrațiilor etc. asupra rezultatelor măsurătorilor. Contactul dintre senzor și conductă este luat în considerare în simulare pentru a evalua efectul său asupra transmisiei ultrasonice.

Verificare și optimizare în laborator

În laborator, un banc de testare a debitului este utilizat pentru măsurarea efectivă a debitului, iar rezultatele sunt comparate cu rezultatele simulării pentru a verifica acuratețea modelului de simulare. Parametrii modelului de simulare sunt ajustați pe baza rezultatelor experimentale pentru a îmbunătăți acuratețea predicției. Prin simulare, poziția senzorului, designul dispozitivului de fixare și metoda de instalare sunt optimizate pentru a îmbunătăți acuratețea și stabilitatea măsurării. Urmând propriu-zisprindeți ghidurile de instalare a debitmetrului cu ultrasuneteeste crucială în timpul acestui proces de optimizare, deoarece instalarea incorectă poate afecta în mod semnificativ acuratețea măsurătorilor. În simulare sunt simulate diferite condiții de defecțiune (cum ar fi bule, particule solide) pentru a evalua impactul acestora asupra performanței debitmetrului. În timpul procesului experimental, trebuie luate în considerare proprietățile fizice ale fluidului (cum ar fi temperatura și presiunea), deoarece aceste proprietăți afectează viteza de propagare a undelor ultrasonice. În plus, zgomotul și interferențele din mediul real pot afecta calitatea semnalului ultrasonic, ceea ce necesită și optimizarea algoritmilor de procesare a semnalului prin simulări și experimente.

COMSOL Multiphysics Simulation Analysis

Luând software-ul COMSOL Multiphysics 5.6 ca exemplu pentru construcția modelului și analiza simulării, simulările pot analiza impactul diferitelor unghiuri, materiale ale conductelor, diametre ale conductelor, frecvențe ultrasonice și metode de instalare asupra propagării undelor ultrasonice. Schema schematică a modelului de măsurare a debitului cu ultrasunete este prezentată în Figura 3.6. Pentru a îmbunătăți eficiența de calcul a soluției modelului 3D, folosim de obicei simetria pentru a simula jumătate din canal pentru a reprezenta întregul model. În timpul procesului de construcție a modelului, trebuie luată în considerare influența diferitelor materiale ale conductei asupra unghiului de refracție ultrasonică, precum și distanțele diferite de deplasare orizontală pentru cele două traductoare instalate sub diametre diferite de țeavă.

Figura 3.6 Diagrama schematică a construcției modelului de măsurare a debitului cu ultrasunete

Metode de instalare a traductorului

Pentru a îndeplini cerințele generale de măsurare a diferitelor diametre de țeavă, în măsurarea debitului cu ultrasunete trebuie utilizate frecvențe de lucru diferite ale traductoarelor cu ultrasunete și diferite metode de instalare a traductoarelor. Theclemă pe debitmetru cu ultrasuneteoferă avantaje deosebite în acest sens, deoarece permite instalarea ne-invazivă fără a necesita tăierea conductelor sau oprirea procesului. Metodele obișnuite de instalare includ forma V-, forma Z-, forma N- și forma W-. Pentru a studia impactul diferitelor metode de instalare a traductoarelor asupra semnalelor de propagare a undelor ultrasonice, este necesar să se efectueze cercetări aferente. Acest articol utilizează în principal simularea modelării metodei de instalare a traductorului în formă de Z-ca exemplu pentru demonstrație.

Metoda Galerkin discontinuă și diviziunea grilă

În COMSOL Multiphysics 5.6, este utilizat modulul de interfață „Ecuație de convecție, domeniu temporal explicit” și, implicit, face parte din formula cu funcții quartice. Pentru rezolvarea problemelor undelor, metoda Discontinuous Galerkin s-a dovedit a fi o metodă eficientă. Metoda Discontinuous Galerkin simplifică problema diviziunii grilei în modelele mari, permițând utilizarea grilelor tetraedrice libere cu dimensiunea de jumătate-lungimi de undă și, în final, rezolvând întregul model. În diviziunea reală a grilei, de obicei setăm dimensiunea elementului grilei la orice valoare între jumătate de lungime de undă și două-treimi dintr-o lungime de undă pentru a obține o rezoluție spațială adecvată. Când utilizați soluția explicită de-domeniu de timp, dimensiunea pasului de timp intern este controlată strict de software-ul COMSOL, astfel încât cel mai mic element de grilă din model controlează pasul de timp. La setarea elementelor de grilă tetraedrice libere, dimensiunile maxime și minime ale elementelor trebuie controlate. În COMSOL Multiphysics 5.6, pentru interfața explicită în domeniul timp-„Ecuația de convecție”, pasul de timp intern este selectat automat pe baza nivelului de rafinare și a proprietăților fizice ale rețelei. Figura 3.7 arată diviziunea grilei pentru studierea vitezei curgerii de fundal și a acusticii utilizând metoda de instalare în formă de Z-.

(a) Viteza fluxului de fundal (b) Acustica

Figura 3.7 Diviziunea grilă pentru studierea vitezei fluxului de fundal și a acusticii la momente diferite

Configurarea câmpului fizic

După ce modelul este construit, câmpurile fizice trebuie setate. Domeniul lichid din conductă este setat ca câmp fizic de curgere laminar sau turbulent pentru a simula fluidul din conductă în timpul utilizării efective; domeniul lichid din conductă, conducta și traductoarele de pe ambele părți ale conductei sunt setate ca câmp fizic „Ecuație de convecție, domeniu temporal explicit” pentru a simula propagarea undelor ultrasonice. În configurația câmpului fizic „Ecuație de convecție, domeniu temporal explicit”, capetele conductei sunt definite ca limite de impedanță pentru a trunchia calculul. În simulările laminare sau turbulente, admisia fluidului este în stânga, iar evacuarea fluidului este în dreapta. Opune cureadebitmetru cu ultrasuneteconfigurația este stabilită cu un transmițător cu ultrasunete instalat pe partea de jos a conductei și un receptor instalat pe partea superioară. La capătul emițătorului se aplică o viteză normală pentru a emite unde ultrasonice.

Modelarea și analiza stării fluidelor

Când se utilizează software-ul COMSOL Multiphysics 5.6 pentru simulări de măsurare a debitului cu ultrasunete, starea fluidului din conductă trebuie mai întâi modelată și analizată. Luând ca exemplu o conductă din PVC cu diametrul exterior de 15 mm și grosimea peretelui de 0,75 mm, s-au efectuat simulări laminare și turbulente. Aceste simulări sunt esențiale pentru înțelegerea modului în carecurea cu ultrasunete pe debitmetrufuncționează în diferite condiții de curgere. Simularea fluxului laminar folosește modulul „Flux laminar” din COMSOL Multiphysics 5.6 pentru configurarea câmpului fizic, iar simularea fluxului turbulent utilizează modulul „Flux turbulent, k-ω”. Figura 3.8 arată mărimea vitezei curgerii de fond în condiții laminare și turbulente.

Din figura 3.8, se poate observa că în condiții de curgere laminară, viteza de curgere în fiecare parte a conductei este aproape uniformă, apropiată de viteza medie de curgere a fluidului de fond. Conform diagramei, culoarea mai adâncă în centrul conductei indică o viteză mai mare a curgerii.

(a) flux laminar (b) flux turbulent

Figura 3.8 Mărimea vitezei fluxului de fundal în diferite stări de fluid

Analiza vitezei fluxului de fundal

Pentru a afișa mai clar viteza de curgere în fiecare parte a conductei, a fost selectată o secțiune a conductei pentru a trasa curba vitezei curgerii de fundal. Figura 3.9 prezintă curbele de viteză a curgerii de fond în condiții de curgere laminar și turbulent.

Pentru conducta din PVC cu un diametru exterior de 15 mm și o grosime a peretelui de 0,75 mm, a fost efectuată o analiză de simulare. Rezultatele simulării folosind modulul „Flux laminar” sunt prezentate în Figura 3.9(a). Se poate observa că în starea de curgere laminară, tranziția vitezei de curgere are loc numai într-un interval de 5 mm pe suprafața țevii, în timp ce viteza de curgere în alte locații este de aproximativ 10 m/s, ceea ce indică faptul că fluidul suferă decalaj în apropierea peretelui țevii din cauza frecării țevii. În contrast, rezultatele simulării utilizând modulul „Turbulent Flow, k-ω” sunt prezentate în Figura 3.9(b). Se poate observa că, în condițiile unei viteze medii de curgere de 10 m/s, viteza de curgere în apropierea peretelui conductei este de aproximativ 4,5 m/s, iar viteza de curgere în centrul conductei poate ajunge la aproximativ 12,2 m/s, distribuția vitezei de curgere formând o formă parabolică.

(a) Flux laminar 

(b) Flux turbulent

Figura 3.9 Curbele de viteză a fluxului de fundal în diferite stări ale fluidului