A külső bilincs ultrahangos áramlásmérő szimulációs vizsgálata
A külső szimulációs vizsgálatabefogniultrahangos áramlásmérőmagában foglalja az áramlásmérő működési elvének és teljesítményének modellezését és szimulálását a tervezés optimalizálása, a mérési pontosság javítása vagy a teljesítmény értékelése különböző működési feltételek mellett.
Numerikus szimulációs modellezés
A numerikus szimulációs modellezést a folyadékáramlás és az ultrahanghullám terjedésének matematikai modelljeinek felállítására alkalmazzák, beleértve a folyadékdinamikai és akusztikus egyenleteket. A CFD (Computational Fluid Dynamics) eszközöket a folyadékáramlás modellezésére használják. Ezek az eszközök szimulálhatják a turbulenciát, az áramlási sebesség eloszlását stb., és elemezhetik az ultrahanghullámok terjedésének hatását. A CFD alapján akusztikus elemzést végeznek az ultrahang jel terjedésének és visszaverődésének szimulálására. Akusztikus szimulációs szoftver (például a COMSOL Multiphysics akusztikus modulja) használható ennek elvégzésére. Az ultrahangos érzékelő szerkezetének végeselem-elemzését (FEA) végzik, hogy megértsék a teljesítményét különböző körülmények között. A FEA segít elemezni a hőtágulás, rezgés stb. hatását a mérési eredményekre. A szimuláció során figyelembe veszik az érzékelő és a csővezeték közötti érintkezést, hogy értékeljék az ultrahangos átvitelre gyakorolt hatását.
Laboratóriumi ellenőrzés és optimalizálás
A laboratóriumban a tényleges áramlásméréshez áramlásmérő padot használnak, és az eredményeket összehasonlítják a szimulációs eredményekkel a szimulációs modell pontosságának ellenőrzésére. A szimulációs modell paramétereit a kísérleti eredmények alapján módosítjuk az előrejelzés pontosságának javítása érdekében. A szimuláció révén az érzékelő helyzetét, a rögzítés kialakítását és a telepítési módszert optimalizálják a mérési pontosság és a stabilitás javítása érdekében. A megfelelő követésrögzítse az ultrahangos áramlásmérő felszerelési útmutatójátdöntő fontosságú az optimalizálási folyamat során, mivel a helytelen telepítés jelentősen befolyásolhatja a mérések pontosságát. A szimuláció során különböző hibaállapotokat (például buborékok, szilárd részecskék) szimulálnak, hogy értékeljék azok hatását az áramlásmérő teljesítményére. A kísérleti folyamat során figyelembe kell venni a folyadék fizikai tulajdonságait (például hőmérséklet és nyomás), mivel ezek a tulajdonságok befolyásolják az ultrahanghullám terjedési sebességét. Ezenkívül a valós környezetben jelentkező zaj és interferencia befolyásolhatja az ultrahangos jel minőségét, ami szintén megköveteli a jelfeldolgozó algoritmusok optimalizálását szimulációk és kísérletek révén.
COMSOL többfizikai szimulációs elemzés
A COMSOL Multiphysics 5.6 szoftvert példának véve a modellépítéshez és a szimulációs elemzéshez, a szimulációk elemezhetik a különböző szögek, a csővezetékek anyagai, a csőátmérők, az ultrahang frekvenciák és a telepítési módszerek hatását az ultrahanghullámok terjedésére. Az ultrahangos áramlásmérési modell sematikus diagramja a 3.6. ábrán látható. A 3D modell megoldás számítási hatékonyságának javítása érdekében általában szimmetriával szimuláljuk a csatorna felét a teljes modell megjelenítéséhez. A modellépítés során figyelembe kell venni a különböző csővezeték anyagok ultrahangtörési szögre gyakorolt hatását, valamint a különböző csőátmérők alatt telepített két átalakító eltérő vízszintes elmozdulási távolságát.
3.6 ábra Az ultrahangos áramlásmérő modell felépítésének sematikus diagramja
A jelátalakító telepítési módszerei
A különböző csőátmérők mérésére vonatkozó általános követelmények teljesítése érdekében az ultrahangos áramlásmérésben eltérő működési frekvenciájú ultrahangos jelátalakítókat és különböző jelátalakító beépítési módszereket kell alkalmazni. Atípusú ultrahangos áramlásmérőre rögzíthetőkülönös előnyöket kínál e tekintetben, mivel lehetővé teszi a nem{0}}invazív telepítést csővágás vagy folyamatleállítás nélkül. Az általános telepítési módszerek közé tartozik a V-alak, a Z-alak, az N-alak és a W-alak. A különböző jelátalakító beépítési módszerek ultrahanghullám-terjedési jelekre gyakorolt hatásának tanulmányozásához kapcsolódó kutatások elvégzése szükséges. Ez a cikk elsősorban a Z-alakú jelátalakító telepítési módszer modellezési szimulációját használja példaként a demonstrációhoz.
Nem folytonos Galerkin-módszer és rácsfelosztás
A COMSOL Multiphysics 5.6-ban a "Convection Equation, Time Domain Explicit" interfész modult használják, és alapértelmezés szerint a kvartikus függvényeket tartalmazó képlet részét képezi. Hullámproblémák megoldására a Diskontinuous Galerkin módszer bizonyítottan hatékony módszer. A Discontinuous Galerkin módszer leegyszerűsíti a rácsosztás problémáját nagy modellekben, lehetővé téve szabad tetraéderes rácsok használatát fél-hullámhosszúsággal, és végül megoldja a teljes modellt. A tényleges rácsfelosztásnál a rácselem méretét általában fél hullámhossz és a hullámhossz kétharmada közötti értékre állítjuk be, hogy megfelelő térbeli felbontást kapjunk. Az idő-domain explicit megoldó használatakor a belső időlépés méretét szigorúan a COMSOL szoftver szabályozza, így a modell legkisebb rácseleme szabályozza az időlépést. A szabad tetraéderes rácselemek beállításánál ellenőrizni kell a maximális és minimális elemméretet. A COMSOL Multiphysics 5.6-os verziójában a "Convection Equation" idő{11}}domain explicit interfészéhez a belső időlépés automatikusan kiválasztásra kerül a rács finomítási szintje és fizikai tulajdonságai alapján. A 3.7. ábra a rácsfelosztást mutatja a háttéráramlási sebesség és akusztika tanulmányozásához a Z-alakzat telepítési módszerével.
(a) Háttéráramlási sebesség (b) Akusztika
3.7. ábra Rácsfelosztás a háttéráramlási sebesség és akusztika különböző időpontokban történő tanulmányozására
Fizikai mező konfigurációja
A modell felépítése után fizikai mezőket kell beállítani. A csővezetékben lévő folyadéktartomány lamináris vagy turbulens áramlási fizikai mezőként van beállítva, hogy szimulálja a csővezetékben lévő folyadékot a tényleges használat során; a csővezetékben lévő folyadék tartomány, a csővezeték és a csővezeték mindkét oldalán lévő transzducerek "Convection Equation, Time Domain Explicit" fizikai mezőként vannak beállítva, hogy szimulálják az ultrahanghullámok terjedését. A "Konvekciós egyenlet, időtartomány explicit" fizikai mezőbeállításban a csővezeték végei impedanciahatárként vannak meghatározva a számítás csonkolása érdekében. A lamináris vagy turbulens szimulációkban a folyadék bemenete a bal oldalon, a folyadék kimenete pedig a jobb oldalon található. Aszíj felultrahangos áramlásmérőA konfiguráció a csővezeték alsó oldalán elhelyezett ultrahangos adóval, a felső oldalon pedig egy vevővel történik. Az adó végén normál sebességet alkalmaznak az ultrahanghullámok kibocsátására.
Folyékony állapot modellezés és elemzés
Ha a COMSOL Multiphysics 5.6 szoftvert ultrahangos áramlásmérési szimulációkhoz használja, először a csővezetékben lévő folyadékállapotot kell modellezni és elemezni. Példaként egy 15 mm külső átmérőjű és 0,75 mm falvastagságú PVC csövet lamináris és turbulens szimulációkat végeztünk. Ezek a szimulációk elengedhetetlenek ahhoz, hogy megértsük, hogyan aultrahangos heveder az áramlásmérőnkülönböző áramlási körülmények között működik. A lamináris áramlás szimulációja a COMSOL Multiphysics 5.6 "Laminar Flow" modulját használja a fizikai tér beállításához, a turbulens áramlás szimulációja pedig a "Turbulens áramlás, k-ω" modult. A 3.8. ábra a háttéráramlási sebesség nagyságát mutatja lamináris és turbulens körülmények között.
A 3.8. ábrán látható, hogy lamináris áramlási viszonyok között az áramlási sebesség a csővezeték mindegyik részében közel egyenletes, közel a háttérfolyadék átlagos áramlási sebességéhez. A diagram szerint a csővezeték közepén lévő mélyebb szín nagyobb áramlási sebességet jelez.
(a) Lamináris áramlás (b) Turbulens áramlás
3.8. ábra: A háttéráramlás sebességének nagysága különböző folyadékállapotokban
Háttér áramlási sebesség elemzés
A csővezeték egyes részeiben az áramlási sebesség pontosabb megjelenítése érdekében a csővezeték egy szakaszát kiválasztottuk az áramlási sebesség háttérgörbéjének ábrázolásához. A 3.9. ábra a háttér áramlási sebességgörbéit mutatja lamináris és turbulens áramlási körülmények között.
A 15 mm külső átmérőjű és 0,75 mm falvastagságú PVC cső esetében szimulációs elemzést végeztünk. A "Laminar Flow" modult használó szimulációs eredmények a 3.9(a) ábrán láthatók. Látható, hogy lamináris áramlási állapotban az áramlási sebesség átmenet csak 5 mm-es tartományon belül megy végbe a csőfelületen, míg más helyeken az áramlási sebesség körülbelül 10 m/s, ami azt jelzi, hogy a folyadék a csőfal közelében a csősúrlódás miatt áramlási késést tapasztal. Ezzel szemben a "Turbulens áramlás, k-ω" modult használó szimulációs eredmények a 3.9(b) ábrán láthatók. Látható, hogy 10 m/s átlagos áramlási sebesség mellett a csőfal közelében az áramlási sebesség kb. 4,5 m/s, a csővezeték közepén pedig megközelítőleg elérheti a 12,2 m/s áramlási sebességet, az áramlási sebesség eloszlása parabola alakú.
(a) Lamináris áramlás
(b) Turbulens áramlás
3.9. ábra Háttér áramlási sebességgörbék különböző folyadékállapotok alatt
