Дослідження моделювання ультразвукового витратоміра із зовнішнім затискачем
Імітаційне дослідження зовнішньогозатискатиультразвуковий витратомірпередбачає моделювання та імітацію принципу роботи та продуктивності витратоміра для оптимізації його конструкції, підвищення точності вимірювань або оцінки його продуктивності за різних умов експлуатації.
Чисельне імітаційне моделювання
Чисельне імітаційне моделювання застосовується для створення математичних моделей потоку рідини та поширення ультразвукових хвиль, включаючи рівняння динаміки рідини та рівняння акустики. Інструменти обчислювальної гідродинаміки (CFD) використовуються для моделювання потоку рідини. Ці інструменти можуть моделювати турбулентність, розподіл швидкості потоку тощо, а також аналізувати вплив поширення ультразвукових хвиль. На основі CFD виконується акустичний аналіз для імітації поширення та відбиття ультразвукового сигналу. Для цього можна використовувати програмне забезпечення для моделювання акустики (наприклад, акустичний модуль у COMSOL Multiphysics). Аналіз кінцевих елементів (FEA) структури ультразвукового датчика проводиться, щоб зрозуміти його роботу за різних умов. FEA допомагає аналізувати вплив теплового розширення, вібрації тощо на результати вимірювань. Контакт між датчиком і трубопроводом розглядається під час моделювання, щоб оцінити його вплив на передачу ультразвуку.
Лабораторна перевірка та оптимізація
У лабораторії стенд для випробування потоку використовується для фактичного вимірювання потоку, а результати порівнюються з результатами моделювання, щоб перевірити точність імітаційної моделі. Параметри імітаційної моделі налаштовані на основі експериментальних результатів для підвищення точності прогнозування. Завдяки моделюванню положення датчика, конструкція кріплення та метод встановлення оптимізуються для підвищення точності та стабільності вимірювань. Дотримуючись належногозатиск на інструкції з монтажу ультразвукового витратомірамає вирішальне значення під час цього процесу оптимізації, оскільки неправильне встановлення може суттєво вплинути на точність вимірювань. Різні умови несправності (такі як бульбашки, тверді частинки) моделюються під час моделювання, щоб оцінити їхній вплив на продуктивність витратоміра. Під час експериментального процесу необхідно враховувати фізичні властивості рідини (такі як температура та тиск), оскільки ці властивості впливають на швидкість поширення ультразвукової хвилі. Крім того, шум і перешкоди в реальному середовищі можуть впливати на якість ультразвукового сигналу, що також вимагає оптимізації алгоритмів обробки сигналу шляхом моделювання та експериментів.
COMSOL Multiphysics Simulation Analysis
Взявши програмне забезпечення COMSOL Multiphysics 5.6 як приклад для побудови моделі та аналізу симуляції, моделювання може аналізувати вплив різних кутів, матеріалів трубопроводів, діаметрів труб, ультразвукових частот і методів монтажу на поширення ультразвукових хвиль. Принципова діаграма моделі ультразвукового вимірювання витрати показана на малюнку 3.6. Щоб підвищити обчислювальну ефективність рішення 3D-моделі, ми зазвичай використовуємо симетрію для імітації половини каналу для представлення всієї моделі. У процесі побудови моделі слід враховувати вплив різних матеріалів трубопроводу на кут ультразвукового заломлення, а також різні відстані горизонтального зміщення для двох перетворювачів, встановлених під різними діаметрами труб.
Малюнок 3.6 Принципова діаграма побудови моделі ультразвукового вимірювання витрати
Способи встановлення перетворювача
Щоб відповідати загальним вимогам до вимірювання різних діаметрів труб, різні робочі частоти ультразвукових перетворювачів і різні способи встановлення перетворювачів повинні використовуватися в ультразвуковому вимірюванні витрати. Theультразвуковий витратомір затискного типупропонує особливі переваги в цьому відношенні, оскільки дозволяє не-інвазивне встановлення без різання труби чи зупинки процесу. Загальні методи встановлення включають V-форму, Z-форму, N-форму та W-форму. Щоб вивчити вплив різних способів встановлення перетворювача на сигнали поширення ультразвукової хвилі, необхідно провести відповідні дослідження. У цій статті як приклад для демонстрації в основному використовується моделювання методу встановлення перетворювача Z-.
Розривний метод Галеркіна та розподіл сітки
У COMSOL Multiphysics 5.6 використовується інтерфейсний модуль «Convection Equation, Time Domain Explicit», і за замовчуванням він є частиною формули з функціями квартичного рівня. Для розв’язання хвильових задач розривний метод Галеркіна доведено як ефективний метод. Розривний метод Галеркіна спрощує задачу поділу сітки у великих моделях, дозволяючи використовувати вільні тетраедральні сітки з половинним-розміром довжини хвилі та, зрештою, розв’язувати всю модель. У фактичному розподілі сітки ми зазвичай встановлюємо розмір елемента сітки на будь-яке значення від половини довжини хвилі до двох-третіх довжини хвилі, щоб отримати відповідну просторову роздільну здатність. Під час використання явного розв’язувача-часової області внутрішній розмір кроку часу суворо контролюється програмним забезпеченням COMSOL, тому найменший елемент сітки в моделі контролює крок часу. При встановленні вільних елементів чотиригранної сітки необхідно контролювати максимальні та мінімальні розміри елементів. У COMSOL Multiphysics 5.6 для явного інтерфейсу часової-області «Рівняння конвекції» внутрішній крок часу вибирається автоматично на основі рівня уточнення сітки та фізичних властивостей. На рисунку 3.7 показано поділ сітки для дослідження фонової швидкості течії та акустики за методом установки Z-.
(a) Швидкість фонового потоку (b) Акустика
Рисунок 3.7 Розподіл сітки для вивчення фонової швидкості течії та акустики в різний час
Конфігурація фізичного поля
Після того, як модель побудована, необхідно встановити фізичні поля. Область рідини в трубопроводі встановлюється як фізичне поле ламінарного або турбулентного потоку для імітації рідини в трубопроводі під час фактичного використання; область рідини в трубопроводі, трубопровід і перетворювачі по обидва боки трубопроводу встановлюються як фізичне поле «Рівняння конвекції, явне визначення часової області» для імітації поширення ультразвукових хвиль. У налаштуваннях фізичного поля «Рівняння конвекції, явна область часу» кінці трубопроводу визначаються як межі імпедансу для скорочення розрахунку. У ламінарному або турбулентному моделюванні вхід рідини знаходиться зліва, а вихід рідини - справа. Аремінецьультразвуковий витратомірконфігурація встановлюється з ультразвуковим передавачем, встановленим на нижній стороні трубопроводу, і приймачем, встановленим на верхній стороні. Для випромінювання ультразвукових хвиль на кінці передавача застосовується звичайна швидкість.
Моделювання та аналіз стану рідини
У разі використання програмного забезпечення COMSOL Multiphysics 5.6 для моделювання ультразвукового вимірювання потоку спочатку необхідно змоделювати та проаналізувати стан рідини в трубопроводі. На прикладі ПВХ труби із зовнішнім діаметром 15 мм і товщиною стінки 0,75 мм було виконано ламінарне та турбулентне моделювання. Ці моделювання необхідні для розуміння того, якультразвукова стрічка на витратоміріпрацює в різних умовах потоку. Симуляція ламінарного потоку використовує модуль «Ламінарний потік» у COMSOL Multiphysics 5.6 для налаштування фізичного поля, а моделювання турбулентного потоку використовує модуль «Турбулентний потік, k-ω». На рисунку 3.8 показана величина фонової швидкості потоку в ламінарних і турбулентних умовах.
З рисунка 3.8 видно, що в умовах ламінарного потоку швидкість потоку в кожній частині трубопроводу є майже рівномірною, близькою до середньої швидкості потоку фонової рідини. Відповідно до діаграми, більш насичений колір у центрі трубопроводу вказує на більшу швидкість потоку.
(a) Ламінарний потік (b) Турбулентний потік
Рисунок 3.8 Величина фонової швидкості потоку в різних станах рідини
Аналіз фонової швидкості потоку
Для більш чіткого відображення швидкості потоку в кожній частині трубопроводу була обрана ділянка трубопроводу для побудови фонової кривої швидкості потоку. На малюнку 3.9 показано фонові криві швидкості течії в умовах ламінарної та турбулентної течії.
Для ПВХ труби із зовнішнім діаметром 15 мм і товщиною стінки 0,75 мм було проведено моделювання. Результати моделювання з використанням модуля «Ламінарний потік» показані на рисунку 3.9(a). Можна побачити, що в стані ламінарного потоку зміна швидкості потоку відбувається лише в межах 5 мм на поверхні труби, тоді як швидкість потоку в інших місцях становить близько 10 м/с, що вказує на те, що рідина відчуває затримку потоку біля стінки труби через тертя труби. Навпаки, результати моделювання з використанням модуля «Турбулентний потік, k-ω» показані на рисунку 3.9(b). Видно, що за умови середньої швидкості потоку 10 м/с швидкість потоку біля стінки труби становить близько 4,5 м/с, а швидкість потоку в центрі трубопроводу може досягати приблизно 12,2 м/с, при цьому розподіл швидкості потоку утворює параболічну форму.
(a) Ламінарний потік
(b) Турбулентний потік
Рисунок 3.9 Фонові криві швидкості потоку в різних станах рідини
