- Люксінг, старший інженер із вимірювання потоку з 15+-річним досвідом роботи з дослідження та розробки ультразвукових витратомірів,

сертифікований аналіз CFD (ANSYS Fluent Professional)

Інженерна цінність моделювання структури трубопроводу вставного ультразвукового витратоміра

Навіщо потрібна технологія моделювання?

У практичній техніці виконання вставкиультразвукові витратоміризначною мірою залежить від умов трубопроводу. Традиційні методи покладаються на повторне-налагодження на місці, яке не тільки дороге, але й може виявити дефекти конструкції лише після введення в експлуатацію. Впровадження технології моделювання змінило цю ситуацію, дозволивши інженерам виявляти та вирішувати потенційні проблеми на етапі проектування.

Його основна цінність полягає в перенесенні «вартості-і-помилок» із поля на комп’ютери, заміна дорогих фізичних експериментів числовими розрахунками.

Шість основних інженерних проблем, які вирішуються моделюванням

Як визначити положення зонда

Швидкість потоку в трубопроводах розподілена нерівномірно. Коліна і клапани створюють локальні завихрення, і установка зондів в цих областях призведе до спотворення показань. Інженери використовують обчислення механіки рідини для візуалізації векторів швидкості в кожній точці трубопроводу, таким чином вибираючи відносно стабільні поперечні-перерізи поля потоку для встановлення датчика, що є важливим для точного визначення коригувального коефіцієнта профілю потоку (FPCF).

Практика показує: незначні перепади кута нахилу зонда (на рівні 5 градусів) призведуть до зміни стану потоку в зоні вимірювання. Систематичне тестування кількох кутових конфігурацій для пошуку рішення з мінімальною похибкою майже непрактично у фізичних експериментах, але обчислювальний аналіз можна завершити протягом кількох днів, враховуючи ефекти виступу перетворювача та виїмки.

Де знаходиться вузьке місце точності

Ультразвукове вимірювання базується на принципі «різниці в часі», і всі зміни параметрів рідини (температура, тиск, склад) впливають на швидкість звуку. Прості емпіричні формули важко охопити всі робочі умови, особливо при дотриманні вимог щодо точності відповідального зберігання.

Моделювання встановлює зв’язок відображення між вхідними параметрами та відхиленням вимірювання за допомогою аналізу залежності числа Рейнольдса. Наприклад, коли температура рідини коливається на ±10 градусів, наскільки змінюється швидкість звуку? Як ця зміна перетворюється на помилку потоку? За допомогою цих кількісних даних можна розробити ефективні алгоритми температурної компенсації.

Як обробляти складні стани потоку

Модель ламінарного потоку в підручниках рідко зустрічається в реальних трубопроводах. Турбулентність, вторинний потік і навіть двофазний потік газу-рідини-спричиняють серйозні відхилення профілів швидкості від ідеальних станів. Обчислювальна гідродинаміка (CFD) може відтворити ці складні явища. Технічні випадки показують: значне відхилення швидкості все ще існує на 15 діаметрах труби нижче за течією певного вигину на 90 градусів. Без розуміння цього потік, розрахований відповідно до стандартних припущень щодо поля потоку, може відхилятися на кілька процентних пунктів, особливо впливаючи на багатопроменевий ультразвуквитратомірточність інтегрування.

Оптимізація шляху поширення акустичних хвиль

Ультразвукові хвилі стикаються з такими перешкодами, як відбиття стінки труби, розсіювання зварного шва та середня не-однорідність під час поширення. Сукупна дія цих факторів може послабити силу сигналу або створити шум.

Акустичне моделювання з використанням методів моделювання відстеження акустичних променів показує фактичну траєкторію променів усередині трубопроводів. Деякі геометричні конфігурації створюють «акустичні тіньові зони», що призводить до надзвичайно слабких отриманих сигналів; інші конфігурації, хоч і мають сильні сигнали, мають ефекти багатопроменевого поширення, що спричиняє спотворення форми сигналу. Завдяки порівняльному аналізу інженери можуть вибрати схему розташування з оптимальним співвідношенням сигнал-до-шуму.

Гарантія продуктивності в умовах встановлення обмежень

Стандартні специфікації зазвичай вимагають 20 діаметрів труби прямої секції передньої труби, але польові умови часто не відповідають цій вимозі. Вартість модифікації трубопроводу може досягати сотень тисяч доларів.

Моделювання забезпечує оцінку здійсненності «не-стандартного встановлення». Шляхом розрахунку ступеня відновлення поля потоку за різної довжини прямих ділянок труби в поєднанні з компенсацією багатоканальної конфігурації-технологіївикористовуючи метод інтегрування Гаусса-Якобі, можна досягти кваліфікованої точності в просторах лише з 6-8 діаметрами труб. Це вимагає індивідуального аналізу для конкретних проектів, а не простого застосування специфікацій, одночасно забезпечуючи підтвердження відповідності ISO 17089.

Застосовність до спеціальних носіїв

Умови експлуатації, такі як рідини з високою-в’язкістю, суспензії, що містять тверді частинки, і високо{1}}гази під високим{2}}тиском мають характеристики потоку, які суттєво відрізняються від характеристик звичайних рідин. Несвоєчасне встановлення може призвести до пошкодження обладнання або збою вимірювання.

Моделювання дозволяє тестувати екстремальні умови у віртуальних середовищах. Наприклад, розрахунок того, чи спричинить сила удару високо{1}}швидкісного потоку газу на зонд структурний резонанс за допомогою прогнозування частоти розриву вихру; або аналіз того, чи частота удару частинок прискорить знос датчика. Ця інформація керує вибором матеріалу та проектуванням структурного посилення.

Межі технічного застосування

Симуляція не всесильна. Його точність залежить від:

• Чи охоплює математична модель реальні фізичні процеси
• Чи відповідають параметри граничних умов фактичним ситуаціям
• Чи достатньо обчислювальних ресурсів для уточненого рішення

Для абсолютно нових явищ потоку або екстремальних умов експлуатації результати моделювання потребують перевірки експериментальних даних. Незважаючи на це, моделювання все ще може значно звузити сферу експерименту, зосередитися на ключових параметрах і значно підвищити ефективність досліджень і розробок.

Рисунок 3.1: Ультразвуковий витратомір-вставного типу

На малюнку 3.1 показано ультразвуковий витратомір вставного-типу, який зазвичай використовується. Його принцип роботи полягає у встановленні пари ультразвукових датчиків з обох боків трубопроводу та досягненні точного вимірювання потоку шляхом виявлення та обчислення різниці між швидкостями ультразвукового імпульсу в нижньому та верхньому потоках. У процесі вимірювання датчики по черзі передають і приймають ультразвукові сигнали в протилежних напрямках. Ультразвукові сигнали поширюються швидше в нижній течії, ніж у верхній течії; коли рідина нерухома, різниця в часі дорівнює нулю. Таким чином, шляхом вимірювання часу поширення ультразвукових хвиль у нижньому та верхньому потоках можна отримати різницю часу t. Відповідно до співвідношення між t і швидкістю потоку V можна опосередковано виміряти середню швидкість потоку рідини, а об’ємну швидкість потоку Q можна розрахувати на основі площі поперечного-перерізу трубопроводу.

Конструкція каналу рідини повинна враховувати швидкість потоку рідини та діапазон потоку, де конструкція трубопроводу повинна більше зосереджуватися на діапазоні швидкості потоку рідини, щоб забезпечити точність вимірювання витрати. Надмірно висока або низька швидкість потоку рідини зрештою вплине на характеристики розповсюдження ультразвукових сигналів.

Розміри трубопроводу, а саме внутрішній діаметр трубопроводу, повинні відповідати внутрішньому діаметру вимірюваного трубопроводу, щоб зменшити перешкоди для потоку рідини та таким чином уникнути впливу на кінцеві результати вимірювань. Опорна конструкція в конструкції трубопроводу має вибирати корозійно-стійкі-і зносостійкі матеріали, щоб подовжити термін служби; в той же час, розумна конструкція необхідна для забезпечення його стабільності за високої швидкості потоку або високого тиску. Ультразвуковий перетворювач має вибрати відповідний тип ультразвукового перетворювача (наприклад, тип спрямованої хвилі або тип відбиття) відповідно до вимог застосування, а потім вибрати відповідне положення для встановлення ультразвукового перетворювача, щоб забезпечити ефективне проходження ультразвукового сигналу через увесь трубопровід.
На додаток до вищезазначених факторів, дослідження, проведене Тан Сяою [103] та іншими вченими з Університету Чжецзян, також включає: за умов вигину 90 градусів і 180 градусів, вплив не-ідеального розподілу швидкості потоку на кожному акустичному шляху ультразвукового витратоміра, особливо вплив на вимірювання швидкості потоку та точність витратоміра. Чжан Чжіцзюнь і Чжу Іншен [102] та інші вчені, базуючись на попередніх дослідженнях, використовували технологію моделювання CFD для проведення аналізу моделювання під 7 кутами (з інтервалом 5 градусів) від 30 градусів до 60 градусів для кутів установки ультразвукового перетворювача. Результати показують, що: різні кути установки впливають на розподіл швидкості потоку в частині канавки акустичного шляху. У той же час була проаналізована відносна похибка між змодельованою швидкістю потоку та ідеальною швидкістю потоку, і було визначено, що оптимальний кут установки перетворювача для розробленого газового ультразвукового витратоміра діаметром DN80 становить 50 градусів.

Ультразвукове вимірювання потоку-вставного типу Дослідження моделювання трубопроводу

Симуляційне дослідження розглядає три аспекти:

Моделювання гідродинаміки, моделювання розповсюдження ультразвуку та моделювання будівельної механіки. За допомогою моделей CFD (Computational Fluid Dynamics) можна змоделювати потік рідини всередині трубопроводу, а потім проаналізувати вплив таких факторів, як розподіл швидкості потоку та вихровий потік, на поширення ультразвукового сигналу. Під час процесу моделювання слід перевіряти можливі завихрення, бульбашки тощо в рідині, щоб якомога більше уникнути перешкод ультразвуковому вимірюванню.
Візьмемо для прикладу вплив різних кутів установки перетворювача на розподіл швидкості потоку, якщо загальна довжина тіла витратоміра трубопроводу L=230 мм, а діаметр D=80 мм. Встановіть кут установки датчика на 30 градусів ~60 градусів і створіть імітаційну модель з інтервалом 5 градусів. Різні кути установки показані на малюнку 3.2. Щоб зменшити споживання пам’яті комп’ютера та обчислювальне навантаження, коли програмне забезпечення ANSYS виконує моделювання, модель CFD газового ультразвукового витратоміра може бути певною мірою спрощена, враховуючи лише встановлення внутрішнього діаметра корпусу витратоміра та моделі перетворювача, а решту тимчасово ігнорувати.
Геометрична модель розділена на три частини: передній трубопровід, ультразвуковий витратомір газу та задній трубопровід. Серед них передній і задні трубопроводи використовують структуровану сітку, ультразвуковий витратомір середнього газу використовує тетраедричну сітку, а з’єднання поверхні інтерфейсу використовується в точках з’єднання з уточненням сітки на поверхнях з’єднання. Вихідний і вхідний прямі трубопроводи використовують структуровану сітку як шестигранну сітку з максимальним розміром сітки, встановленим на 2, Spacing1 (відстань між сітками першого прикордонного шару) 1,5, Ratio1 (швидкість зростання сітки першого прикордонного шару) 2, Spacing2 (відстань сітки другого прикордонного шару) 1,5 і Ratio2 (швидкість зростання сітки другого прикордонного шару) 2. Максимальний розмір осередку корпусу газового ультразвукового витратоміра становить 5; локальне подрібнення застосовується до сітки перетворювача з максимальним розміром сітки 1,5; локальне уточнення застосовується до сітки інтерфейсу, зберігаючи розмір сітки 2.

Рисунок 3.2 Принципова схема перетворювачів під різними кутами встановлення

Діаграма результатів оптимізації кута датчика

Вибір і налаштування програмного забезпечення CFD моделювання

ANSYS Fluent проти COMSOL:Що краще для моделювання ультразвукового витратоміра?
Порівняння моделі турбулентності:k-ε проти k-ω SST проти RSM для числа Рейнольдса 10⁴-10⁷
Критерії якості сітки:y+ < 1, співвідношення сторін < 100, асиметрія < 0,85

Рисунок 3.3: Модель моделювання

Через великий градієнт швидкості біля поверхні стіни прийнято уточнення сітки прикордонного шару з використанням експоненціального закону зростання з початковою висотою (початковою висотою), встановленою на 0,1, коефіцієнтом висоти (співвідношення кожного прикордонного шару) 1,2, кількістю шарів (кількістю прикордонних шарів) 3 і загальною висотою (загальною висотою прикордонних шарів) 0,7. Кінцева загальна кількість сіток становить приблизно 1,5 мільйона. Взявши чотири{7}}канальний перетворювач DN80 під кутом встановлення 50 градусів як приклад, результат поділу сітки показано на малюнку 3.3.

Рисунок 3.4: Карти контуру швидкості при швидкості потоку на вході 10 м/с, кутах установки 50 градусів і 30 градусів

Для кращого розуміння розподілу рідини всередині трубопроводу під різними кутами установки, взявши два випадки установки під кутами 30 градусів і 50 градусів як приклади, коли швидкість потоку на вході становить 10 м/с, контурні карти швидкості шляхів один і три показані на малюнку 3.4.

Зв’яжіться з нашою командою інженерів сьогодні, щоб отримати безкоштовну техніко-економічну оцінку стану вашого трубопроводу та вимог до вимірювань.