- LiuXing, vezető áramlásmérő mérnök, 15+ éves tapasztalattal az ultrahangos áramlásmérők kutatás-fejlesztésében,

CFD elemzésben tanúsított (ANSYS Fluent Professional)

A beillesztési ultrahangos áramlásmérő csővezeték szerkezeti szimulációjának műszaki értéke

Miért van szükség szimulációs technológiára?

A gyakorlati gépészetben a beillesztés teljesítményeultrahangos áramlásmérőkjelentősen befolyásolják a csővezeték körülményei. A hagyományos módszerek az ismételt helyszíni hibakeresésre támaszkodnak-, amely nemcsak költséges, hanem a tervezési hibákat is csak az üzembe helyezés után fedheti fel. A szimulációs technológia bevezetése megváltoztatta ezt a helyzetet, lehetővé téve a mérnökök számára a lehetséges problémák azonosítását és megoldását a tervezési szakaszban.

Alapvető értéke a következőkben rejlik: a "próba

Szimulációval megoldott hat fő mérnöki probléma

Hogyan határozzuk meg a szonda helyzetét

Az áramlási sebesség a csővezetékekben nem egyenletesen oszlik el. A könyökök és a szelepek helyi örvényeket hoznak létre, és a szondák ezeken a területeken történő felszerelése torz leolvasásokhoz vezet. A mérnökök folyadékmechanikai számításokat használnak a sebességvektorok megjelenítésére a csővezeték minden pontján, így viszonylag stabil áramlási mező keresztmetszeteket{2}} választanak ki az érzékelő felszereléséhez, ami elengedhetetlen az áramlási profil korrekciós tényezőjének (FPCF) pontos meghatározásához.

A gyakorlat azt mutatja, hogy a szonda dőlésszögének kisebb eltérései (5 fokos szinten) megváltoztatják az áramlási állapotot a mérési területen. A több szögkonfiguráció szisztematikus tesztelése a minimális hibás megoldás megtalálása érdekében szinte kivitelezhetetlen a fizikai kísérletekben, de a számítási elemzés napokon belül elvégezhető, figyelembe véve a jelátalakító kiemelkedését és a bemélyedés hatásait.

Hol van a pontosság szűk keresztmetszete

Az ultrahangos mérés az "időkülönbség" elvén alapul, és a folyadék paramétereinek változásai (hőmérséklet, nyomás, összetétel) mind befolyásolják a hangsebességet. Az egyszerű empirikus képletekkel nehéz minden működési körülményt lefedni, különösen akkor, ha megfelelnek az őrzési átadás pontossági követelményeinek.

A szimuláció létrehozza a leképezési kapcsolatot a bemeneti paraméterek és a mérési eltérés között Reynolds-szám függőségi elemzéssel. Például, ha a folyadék hőmérséklete ±10 fokot ingadozik, mennyiben változik a hangsebesség? Hogyan alakul ez a változás áramlási hibába? Ezekkel a mennyiségi adatokkal hatékony hőmérséklet-kompenzációs algoritmusok tervezhetők.

Hogyan kezeljük az összetett áramlási állapotokat

A tankönyvekben szereplő lamináris áramlási modell ritkán jelenik meg tényleges csővezetékekben. A turbulencia, a másodlagos áramlás, sőt a gáz-folyadék két-fázisú áramlása miatt a sebességprofilok jelentősen eltérnek az ideális állapottól. A Computational Fluid Dynamics (CFD) képes reprodukálni ezeket az összetett jelenségeket. A mérnöki esetek azt mutatják, hogy egy bizonyos 90 fokos ívtől 15 csőátmérővel még mindig jelentős sebességi ferdeség van. Ennek megértése nélkül a szabványos áramlási mező feltevések szerint számított áramlás több százalékponttal eltérhet, különösen a többutas ultrahangot érintve.áramlásmérőintegrációs pontosság.

Az akusztikus hullám terjedési útvonalának optimalizálása

Az ultrahanghullámok interferenciával, például csőfal-visszaverődéssel, hegesztési szórással és közepes egyenetlenséggel találkoznak a terjedés során. E tényezők együttes hatása gyengítheti a jelerősséget vagy zajt okozhat.

Az akusztikus sugárkövetési szimulációs technikákat alkalmazó akusztikus szimuláció feltárja a csővezetékeken belüli sugarak tényleges pályáját. Egyes geometriai konfigurációk "akusztikus árnyékzónákat" hoznak létre, ami rendkívül gyenge jeleket eredményez; más konfigurációk, bár erős jelekkel rendelkeznek, többutas hatást fejtenek ki, ami hullámforma torzítást okoz. Az összehasonlító elemzéssel a mérnökök kiválaszthatják az optimális jel-/-zajarányú elrendezési sémát.

Teljesítménybiztosítás telepítési korlátok mellett

A szabványos specifikációk általában 20 csőátmérőt írnak elő az egyenes csőszakasz előtt, de a helyszíni körülmények gyakran nem felelnek meg ennek a követelménynek. A csővezeték módosítási költsége elérheti a több százezer dollárt.

A szimuláció megvalósíthatósági értékelést nyújt a „nem{0}}szabványos telepítéshez”. Az áramlási tér helyreállításának mértékének kiszámításával különböző egyenes csőszakasz-hosszak mellett, kombinálva a több-útvonal-konfiguráció kompenzációjávaltechnológiaGauss{0}}Jacobi integrációs módszerrel minősített pontosság érhető el olyan helyeken, ahol csak 6-8 csőátmérő van. Ehhez testreszabott elemzésre van szükség konkrét projektekhez, ahelyett, hogy egyszerűen alkalmaznák a specifikációkat, miközben biztosítják az ISO 17089 megfelelőség érvényesítését.

Alkalmazhatóság speciális adathordozókra

Az olyan működési feltételek, mint a nagy-viszkozitású folyadékok, szilárd részecskéket tartalmazó iszapok és a magas-hőmérsékletű, nagynyomású gázok, áramlási jellemzői jelentősen eltérnek a hagyományos folyadékokétól. A kiütéses telepítés a berendezés károsodásához vagy a mérés hibájához vezethet.

A szimuláció lehetővé teszi az extrém körülmények tesztelését virtuális környezetben. Például annak kiszámítása, hogy a nagy-sebességű gázáramlás ütközési ereje a szondára strukturális rezonanciát okoz-e az örvényleválási frekvencia előrejelzése révén; vagy annak elemzése, hogy a részecskék ütközési gyakorisága felgyorsítja-e az érzékelő kopását. Ez az információ az anyagválasztáshoz és a szerkezeti megerősítés tervezéséhez vezet.

A műszaki alkalmazás határai

A szimuláció nem mindenható. Pontossága a következőktől függ:

• A matematikai modell lefedi-e a valós fizikai folyamatokat
• A határfeltételek beállításai megfelelnek-e a tényleges helyzeteknek
• A számítási erőforrások elegendőek-e a finomított megoldáshoz

Teljesen új áramlási jelenségek vagy extrém üzemi körülmények esetén a szimulációs eredmények kísérleti adatok validálását igénylik. Ennek ellenére a szimuláció továbbra is nagymértékben szűkítheti a kísérleti hatókört, a kulcsfontosságú paraméterekre összpontosíthat, és jelentősen javíthatja a kutatás-fejlesztés hatékonyságát.

3.1. ábra: Behelyezett- típusú ultrahangos áramlásmérő

A 3.1. ábra egy általánosan használt beszúrásos -típusú ultrahangos áramlásmérőt mutat be. Működési elve az, hogy egy pár ultrahangos érzékelőt szerelnek fel a csővezeték mindkét oldalára, és pontos áramlásmérést érnek el azáltal, hogy észlelik és kiszámítják az ultrahang impulzussebességei közötti különbséget a folyásirányban és a felfelé irányuló áramlásban. A mérési folyamat során az érzékelők felváltva adnak és fogadnak ellentétes irányú ultrahangjeleket. Az ultrahangos jelek gyorsabban terjednek az alsó áramlásban, mint a felfelé irányuló áramlásban; amikor a folyadék áll, az időkülönbség nulla. Ezért az ultrahanghullámok terjedési idejének mérésével lefelé és felfelé irányuló áramlásban a t időkülönbség megkapható. A t és a V áramlási sebesség kapcsolata szerint a folyadék átlagos áramlási sebessége közvetve mérhető, a Q térfogatáram pedig a csővezeték keresztmetszeti területe alapján számítható ki.

A folyadékcsatorna tervezésénél figyelembe kell venni a folyadék áramlási sebességét és áramlási tartományát, ahol a csővezeték tervezésénél jobban a folyadék áramlási sebességtartományára kell összpontosítani az áramlásmérés pontosságának biztosítása érdekében. A túl nagy vagy alacsony folyadékáramlási sebesség végső soron befolyásolja az ultrahangos jelek terjedési jellemzőit.

A csővezeték méreteinek, nevezetesen a csővezeték belső átmérőjének meg kell egyeznie a mért csővezeték belső átmérőjével, hogy csökkentsék a folyadékáramlás zavarát, és így elkerüljék a végső mérési eredmények befolyásolását. A csővezeték szerkezetében lévő tartószerkezetnek korrózióálló-és kopásálló-anyagot kell választania az élettartam meghosszabbítása érdekében; ugyanakkor ésszerű tervezésre van szükség a nagy áramlási sebesség vagy nagy nyomás melletti stabilitás biztosításához. Az ultrahangos jelátalakítónak ki kell választania a megfelelő ultrahangos jelátalakító típust (például irányított hullám típusát vagy reflexiós típusát) az alkalmazási követelményeknek megfelelően, majd ki kell választania a megfelelő pozíciót az ultrahangos átalakító felszereléséhez, hogy az ultrahangos jel hatékonyan áthaladhasson a teljes csővezetéken.
A fenti tényezők mellett a Tang Xiaoyu[103] és a Zhejiang Egyetem más tudósai által végzett kutatások a következőket is magukban foglalják: 90 fokos hajlítási és 180 fokos hajlítási feltételek mellett az áramlási sebesség nem ideális eloszlásának hatása az ultrahangos áramlásmérő minden akusztikus pályájára, különösen az áramlási sebesség mérésére és az áramlási sebesség mérésére. Zhang Zhijun és Zhu Yingsheng[102] és más tudósok korábbi kutatások alapján CFD szimulációs technológiát használtak szimulációs elemzések elvégzésére 7 szögben (5 fokos időközönként), 30 fok és 60 fok között az ultrahangos jelátalakító beépítési szögeihez. Az eredmények azt mutatják, hogy: a különböző beépítési szögek befolyásolják az áramlási sebesség eloszlását az akusztikus út horonyrészében. Ezzel egyidejűleg elemeztük a szimulált áramlási sebesség és az ideális áramlási sebesség közötti relatív hibát, és megállapítottuk, hogy a tervezett DN80 átmérőjű gáz ultrahangos áramlásmérőhöz az optimális jelátalakító beépítési szög 50 fok.

Insertion{0}}type Ultrahangos áramlásmérő csővezeték szimulációs kutatás

A szimulációs kutatás három szempontot vesz figyelembe:

Folyadékdinamikai szimuláció, ultrahangos terjedési szimuláció és szerkezeti mechanikai szimuláció. A CFD (Computational Fluid Dynamics) modellek segítségével szimulálható a csővezetéken belüli folyadékáramlás, majd elemezhető az olyan tényezők, mint az áramlási sebesség eloszlás és az örvényáramlás ultrahangos jelterjedésre gyakorolt ​​hatása. A szimulációs folyamat során ellenőrizni kell az esetleges örvényléseket, buborékokat stb. a folyadékban, hogy lehetőleg ne zavarja az ultrahangos mérést.
Példaként a különböző jelátalakító beépítési szögek befolyását az áramlási sebesség eloszlására, ha a csővezetékes áramlásmérő teljes testhossza L=230 mm, átmérője pedig D=80 mm. Állítsa be a jelátalakító beépítési szögét 30°-60°-ra, és hozzon létre egy szimulációs modellt 5 fokos időközönként. A különböző beépítési szögeket a 3.2. ábra mutatja. A számítógépes memóriafelhasználás és a számítási terhelés csökkentése érdekében, amikor az ANSYS szoftver szimulációt végez, a gáz ultrahangos áramlásmérő CFD modellje bizonyos mértékig egyszerűsíthető, csak az áramlásmérő házának belső átmérőjének és a jelátalakító modellnek a megállapítását figyelembe véve, a többit átmenetileg figyelmen kívül hagyva.
A geometriai modell három részre oszlik: elülső csővezeték, ultrahangos gázáramlásmérő és hátsó csővezeték. Ezek közül az elülső és a hátsó csővezetékek strukturált hálót, a középső gázos ultrahangos áramlásmérő tetraéderes hálót alkalmaznak, és a csatlakozási pontokon interfész felületi kapcsolatot használnak, a háló finomításával a csatlakozási felületeken. Az egyenes kimeneti és bemeneti csővezetékek strukturált hálót használnak hatszög alakú hálóként, a maximális hálóméret 2, a Spacing1 (első határréteg hálótávolsága) 1,5, az Arány1 (az első határréteg háló növekedési sebessége) 2, a Spacing2 (második határréteg hálótávolsága 5 hálónövekedési sebesség) 2. A gáz-ultrahangos áramlásmérő testrészének maximális szembősége 5; helyi finomítást alkalmaznak a jelátalakító hálóján, legfeljebb 1,5 szembőséggel; helyi finomítást alkalmaznak az interfész hálóján, a háló méretét 2-ben tartva.

3.2 ábra A jelátalakítók sematikus rajza különböző beépítési szögekben

A jelátalakító szögoptimalizálásának eredménytáblázata

CFD szimulációs szoftver kiválasztása és beállítása

ANSYS Fluent vs COMSOL:Melyik a jobb ultrahangos áramlásmérő szimulációhoz?
A turbulencia modell összehasonlítása:k-ε vs k-ω SST vs RSM Reynolds-szám esetén 10⁴-10⁷
A háló minőségi kritériumai:y+ < 1, képarány < 100, ferdeség < 0,85

3.3. ábra: Modellező modell

A falfelülethez közeli nagy sebességgradiens miatt a határréteg háló finomítása exponenciális növekedési törvényt alkalmazva, a kezdeti magasság (kezdeti magasság) 0,1, a magassági arány (az egyes határrétegek aránya) 1,2, a rétegek száma (határoló rétegek száma) 3 és a teljes magasság 0 (határréteg magassága) 7. A végső teljes hálószám hozzávetőlegesen 1,5 millió. A DN80 négyútvonalú jelátalakító 50 fokos beépítési szögét példának véve a hálófelosztás eredménye a 3.3. ábrán látható.

3.4. ábra: Sebességkontúr térképek bemeneti áramlási sebességnél 10 m/s, beépítési szögek 50 fok és 30 fok

A csővezetéken belüli folyadékeloszlás jobb megértése érdekében különböző beépítési szögek esetén, a két 30 fokos és 50 fokos beépítési szöget példának vesszük, amikor a bemeneti áramlási sebesség 10 m/s, az első és harmadik út sebességkontúr térképét a 3.4 ábra mutatja.

Lépjen kapcsolatba mérnöki csapatunkkal még ma, ha ingyenes megvalósíthatósági értékelést szeretne kapni a csővezeték feltételeiről és mérési követelményeiről.