- Autor: LiuXing, starszy inżynier ds. pomiarów przepływu z 15+-letnim doświadczeniem w badaniach i rozwoju przepływomierzy ultradźwiękowych,

certyfikowany w analizie CFD (ANSYS Fluent Professional)

Wartość inżynieryjna symulacji struktury rurociągu ultradźwiękowego miernika przepływu

Dlaczego potrzebna jest technologia symulacyjna?

W inżynierii praktycznej wydajność wstawianiaprzepływomierze ultradźwiękowejest w znacznym stopniu zależna od warunków rurociągu. Tradycyjne metody polegają na wielokrotnym-debugowaniu na miejscu, co jest nie tylko kosztowne, ale może również ujawnić wady projektowe dopiero po uruchomieniu. Wprowadzenie technologii symulacyjnej zmieniło tę sytuację, umożliwiając inżynierom identyfikację i rozwiązywanie potencjalnych problemów już na etapie projektowania.

Jego podstawowa wartość polega na: przeniesieniu „kosztów prób-i-błędów” z terenu na komputery i zastąpieniu kosztownych eksperymentów fizycznych obliczeniami numerycznymi.

Sześć głównych problemów inżynieryjnych rozwiązanych za pomocą symulacji

Jak określić pozycję sondy

Prędkość przepływu w rurociągach nie jest równomiernie rozłożona. Kolana i zawory tworzą lokalne wiry, a zainstalowanie sond w tych obszarach będzie prowadzić do zniekształceń odczytów. Inżynierowie wykorzystują obliczenia mechaniki płynów do wizualizacji wektorów prędkości w każdym punkcie rurociągu, wybierając w ten sposób stosunkowo stabilne-przekroje pola przepływu do instalacji czujnika, co jest niezbędne do dokładnego określenia współczynnika korekcji profilu przepływu (FPCF).

Praktyka pokazuje, że niewielkie różnice w kącie nachylenia sondy (na poziomie 5 stopni) powodują zmianę stanu przepływu w obszarze pomiarowym. Systematyczne testowanie konfiguracji wielu kątów w celu znalezienia rozwiązania z minimalnym błędem jest prawie niepraktyczne w eksperymentach fizycznych, ale analizę obliczeniową można ukończyć w ciągu kilku dni, uwzględniając efekty wysunięcia i wgłębienia przetwornika.

Gdzie jest wąskie gardło dokładności

Pomiar ultradźwiękowy opiera się na zasadzie „różnicy czasu”, a zmiany parametrów płynu (temperatura, ciśnienie, skład) wpływają na prędkość dźwięku. Proste wzory empiryczne są trudne do uwzględnienia wszystkich warunków pracy, zwłaszcza gdy spełniają wymagania dotyczące dokładności transferu rozliczeniowego.

Symulacja ustanawia zależność mapowania między parametrami wejściowymi a odchyleniem pomiaru poprzez analizę zależności liczby Reynoldsa. Na przykład, gdy temperatura płynu zmienia się o ±10 stopni, jak bardzo zmienia się prędkość dźwięku? Jak ta zmiana przekłada się na błąd przepływu? Dzięki tym danym ilościowym można zaprojektować skuteczne algorytmy kompensacji temperatury.

Jak radzić sobie ze złożonymi stanami przepływu

Podręczny model przepływu laminarnego rzadko pojawia się w rzeczywistych rurociągach. Turbulencje, przepływ wtórny, a nawet dwufazowy-przepływ gazu-gazu powodują, że profile prędkości znacznie odbiegają od stanów idealnych. Obliczeniowa dynamika płynów (CFD) może odtworzyć te złożone zjawiska. Przykłady inżynieryjne pokazują: znaczna skośność prędkości nadal występuje 15 średnic rury za pewnym zakrętem 90 stopni. Bez zrozumienia tego przepływ obliczony zgodnie ze standardowymi założeniami dotyczącymi pola przepływu może różnić się o kilka punktów procentowych, szczególnie wpływając na wielodrożne ultradźwiękoweprzepływomierzdokładność integracji.

Optymalizacja ścieżki propagacji fali akustycznej

Fale ultradźwiękowe napotykają zakłócenia, takie jak odbicia od ścian rur, rozproszenia na spoinach i średnia niejednorodność-podczas propagacji. Skumulowany efekt tych czynników może osłabić siłę sygnału lub wprowadzić szumy.

Symulacja akustyczna wykorzystująca techniki symulacji śledzenia promieni akustycznych ujawnia rzeczywistą trajektorię belek wewnątrz rurociągów. Niektóre konfiguracje geometryczne tworzą „strefy cienia akustycznego”, co skutkuje wyjątkowo słabym odbieranym sygnałem; inne konfiguracje, chociaż mają silne sygnały, mają efekty wielościeżkowe powodujące zniekształcenie kształtu fali. Dzięki analizie porównawczej inżynierowie mogą wybrać schemat aranżacji z optymalnym stosunkiem sygnału-do-szumu.

Zapewnienie wydajności w ramach ograniczeń instalacyjnych

Standardowe specyfikacje zazwyczaj wymagają 20 średnic rury w prostym odcinku rury przed instalacją, ale warunki terenowe często nie są w stanie spełnić tego wymagania. Koszty modyfikacji rurociągu mogą sięgać setek tysięcy dolarów.

Symulacja umożliwia ocenę wykonalności „-niestandardowej instalacji”. Obliczając stopień odzyskiwania pola przepływu przy różnych długościach prostych odcinków rury, w połączeniu z kompensacją konfiguracji wielo-ścieżkowejtechnologiastosując metodę całkowania Gaussa-Jacobiego, kwalifikowaną dokładność można osiągnąć w przestrzeniach o średnicach rur wynoszących zaledwie 6–8. Wymaga to analizy dostosowanej do konkretnych projektów, a nie prostego stosowania specyfikacji, przy jednoczesnym zapewnieniu potwierdzenia zgodności z normą ISO 17089.

Możliwość zastosowania w mediach specjalnych

Warunki pracy, takie jak ciecze o wysokiej-lepkości, zawiesiny zawierające cząstki stałe i gazy o-temperaturze i-ciśnieniu, mają charakterystykę przepływu znacznie różniącą się od konwencjonalnych płynów. Pochopna instalacja może spowodować uszkodzenie sprzętu lub błąd pomiaru.

Symulacja umożliwia testowanie ekstremalnych warunków w środowiskach wirtualnych. Na przykład obliczenie, czy siła uderzenia strumienia gazu o dużej-prędkości na sondę spowoduje rezonans strukturalny poprzez przewidywanie częstotliwości wydzielania wirów; lub analizowanie, czy częstotliwość uderzeń cząstek przyspieszy zużycie czujnika. Informacje te pomagają w wyborze materiału i projektowaniu zbrojenia konstrukcyjnego.

Granice zastosowań technicznych

Symulacja nie jest wszechmocna. Jego dokładność zależy od:

• Czy model matematyczny obejmuje rzeczywiste procesy fizyczne
• Czy ustawienia warunków brzegowych odpowiadają rzeczywistym sytuacjom
• Czy zasoby obliczeniowe wystarczą do dopracowanego rozwiązania

W przypadku zupełnie nowych zjawisk przepływu lub ekstremalnych warunków pracy wyniki symulacji wymagają walidacji danych eksperymentalnych. Niemniej jednak symulacja może w dalszym ciągu znacznie zawęzić zakres eksperymentalny, skupić się na kluczowych parametrach i znacząco poprawić efektywność badań i rozwoju.

Rysunek 3.1: Przepływomierz ultradźwiękowy-typu wkładanego

Rysunek 3.1 przedstawia powszechnie używany przepływomierz ultradźwiękowy- typu wkładanego. Zasada działania polega na zainstalowaniu pary czujników ultradźwiękowych po obu stronach rurociągu i uzyskaniu dokładnego pomiaru przepływu poprzez wykrycie i obliczenie różnicy między prędkościami impulsów ultradźwiękowych w przepływie za i przed rurociągiem. Podczas pomiaru czujniki naprzemiennie przesyłają i odbierają sygnały ultradźwiękowe w przeciwnych kierunkach. Sygnały ultradźwiękowe rozchodzą się szybciej w przepływie poniżej niż w przepływie powyżej; gdy płyn jest nieruchomy, różnica czasu wynosi zero. Dlatego mierząc czas propagacji fal ultradźwiękowych w przepływie za i przed przepływem, można uzyskać różnicę czasu t. Zgodnie z zależnością między t a prędkością przepływu V można pośrednio zmierzyć średnią prędkość przepływu płynu, a objętościowe natężenie przepływu Q można obliczyć na podstawie-powierzchni przekroju poprzecznego rurociągu.

Projekt kanału płynu powinien uwzględniać prędkość przepływu płynu i zakres przepływu, natomiast projekt rurociągu musi bardziej skupiać się na zakresie prędkości przepływu płynu, aby zapewnić dokładność pomiaru przepływu. Zbyt wysoka lub niska prędkość przepływu płynu ostatecznie wpłynie na charakterystykę propagacji sygnałów ultradźwiękowych.

Wymiary rurociągu, czyli wewnętrzna średnica rurociągu, muszą odpowiadać wewnętrznej średnicy mierzonego rurociągu, aby ograniczyć zakłócenia przepływu płynu i tym samym uniknąć wpływu na końcowe wyniki pomiaru. W konstrukcji nośnej rurociągu należy wybrać materiały-odporne na korozję i zużycie-, aby wydłużyć żywotność; jednocześnie potrzebny jest rozsądny projekt, aby zapewnić jego stabilność przy dużej prędkości przepływu lub wysokim ciśnieniu. Przetwornik ultradźwiękowy musi wybrać odpowiedni typ przetwornika ultradźwiękowego (taki jak typ fali prowadzonej lub typ odbicia) zgodnie z wymaganiami aplikacji, a następnie wybrać odpowiednią pozycję do zainstalowania przetwornika ultradźwiękowego, aby zapewnić skuteczne przejście sygnału ultradźwiękowego przez cały rurociąg.
Oprócz powyższych czynników badania przeprowadzone przez Tang Xiaoyu[103] i innych naukowców z Uniwersytetu Zhejiang obejmują również: w warunkach zgięcia o 90 stopni i zgięcia o 180 stopni, wpływ nie-idealnego rozkładu prędkości przepływu na każdą ścieżkę akustyczną przepływomierza ultradźwiękowego, zwłaszcza wpływ na pomiar prędkości przepływu i dokładność przepływomierza. Zhang Zhijun i Zhu Yingsheng[102] oraz inni uczeni, w oparciu o wcześniejsze badania, wykorzystali technologię symulacji CFD do przeprowadzenia analizy symulacyjnej pod 7 kątami (w odstępach co 5 stopni) w zakresie od 30 stopni do 60 stopni dla kątów instalacji przetwornika ultradźwiękowego. Wyniki pokazują, że: różne kąty montażu wpływają na rozkład prędkości przepływu w części rowkowej ścieżki akustycznej. Jednocześnie przeanalizowano błąd względny pomiędzy symulowaną prędkością przepływu a idealną prędkością przepływu i ustalono, że optymalny kąt montażu przetwornika dla projektowanego ultradźwiękowego przepływomierza gazu o średnicy DN80 wynosi 50°.

Badania symulacyjne w rurociągach typu wstawkowego-z ultradźwiękowym pomiarem przepływu

Badania symulacyjne uwzględniają trzy aspekty:

Symulacja dynamiki płynów, symulacja propagacji ultradźwiękowej i symulacja mechaniki strukturalnej. Wykorzystując modele CFD (Computational Fluid Dynamics) można symulować przepływ płynu w rurociągu, a następnie analizować wpływ takich czynników, jak rozkład prędkości przepływu i przepływ wirowy na propagację sygnału ultradźwiękowego. Podczas procesu symulacji należy sprawdzić ewentualne wiry, pęcherzyki itp. w płynie, aby w jak największym stopniu uniknąć zakłóceń w pomiarze ultradźwiękowym.
Na przykładzie wpływu różnych kątów montażu przetworników na rozkład prędkości przepływu, jeśli całkowita długość korpusu przepływomierza rurociągowego wynosi L=230 mm, a średnica wynosi D=80 mm. Ustaw kąt instalacji przetwornika na 30–60 stopni i utwórz model symulacyjny w odstępach co 5 stopni. Różne kąty montażu pokazano na rysunku 3.2. Aby zmniejszyć zużycie pamięci komputera i obciążenie obliczeniowe podczas symulacji przeprowadzanej przez oprogramowanie ANSYS, model CFD ultradźwiękowego przepływomierza gazu można w pewnym stopniu uprościć, uwzględniając jedynie ustalenie wewnętrznej średnicy obudowy przepływomierza i modelu przetwornika, resztę tymczasowo pomijając.
Model geometryczny podzielony jest na trzy części: rurociąg przedni, przepływomierz ultradźwiękowy gazu i rurociąg tylny. Wśród nich w przednich i tylnych rurociągach zastosowano siatkę strukturalną, w przepływomierzu ultradźwiękowym gazu środkowego zastosowano siatkę czworościenną, a w punktach połączenia zastosowano połączenie powierzchniowe interfejsu, z udoskonaleniem siatki na powierzchniach połączeń. W prostych rurociągach wylotowych i wlotowych zastosowano siatkę strukturalną w postaci siatki sześciokątnej, z maksymalnym rozmiarem oczek ustawionym na 2, odstępem 1 (odstęp oczek pierwszej warstwy granicznej) wynoszącym 1,5, współczynnikiem 1 (szybkość wzrostu oczek pierwszej warstwy granicznej) wynoszącym 2, odstępem 2 (odstęp oczek drugiej warstwy granicznej) wynoszącym 1,5 i stosunkiem 2 (szybkość wzrostu oczek drugiej warstwy granicznej) wynoszącym 2. Maksymalny rozmiar oczek sekcji korpusu przepływomierza ultradźwiękowego gazu wynosi 5; do siatki przetwornika stosowane jest lokalne udoskonalenie przy maksymalnym rozmiarze oczek 1,5; Do siatki interfejsu stosowane jest lokalne udoskonalenie, utrzymując rozmiar siatki na poziomie 2.

Rysunek 3.2 Schemat ideowy przetworników przy różnych kątach instalacji

Wykres wyników optymalizacji kąta przetwornika

Wybór i konfiguracja oprogramowania do symulacji CFD

ANSYS Fluent kontra COMSOL:Co jest lepsze do symulacji przepływomierza ultradźwiękowego?
Porównanie modelu turbulencji:k-ε vs k-ω SST vs RSM dla liczby Reynoldsa 10⁴-10⁷
Kryteria jakości siatki:y+ < 1, współczynnik kształtu < 100, skośność < 0,85

Rysunek 3.3: Model modelowania

Ze względu na duży gradient prędkości w pobliżu powierzchni ściany przyjęto udoskonalenie siatki warstwy granicznej, stosując prawo wzrostu wykładniczego, przy czym wysokość początkowa (wysokość początkowa) jest ustawiona na 0,1, współczynnik wysokości (stosunek każdej warstwy granicznej) 1,2, liczba warstw (liczba warstw granicznych) 3 i wysokość całkowita (całkowita wysokość warstw granicznych) 0,7. Ostateczna całkowita liczba oczek wynosi około 1,5 miliona. Biorąc za przykład cztero-drogowy przetwornik DN80 pod kątem 50 stopni, wynik podziału siatki pokazano na rysunku 3.3.

Rysunek 3.4: Mapy konturowe prędkości przy prędkości przepływu na wlocie 10 m/s, kątach instalacji 50 stopni i 30 stopni

Aby lepiej zrozumieć rozkład płynu w rurociągu przy różnych kątach montażu, biorąc za przykład dwa przypadki kątów montażu 30 stopni i 50 stopni, gdy prędkość przepływu na wlocie wynosi 10 m/s, na rysunku 3.4 pokazano mapy konturowe prędkości dla ścieżek pierwszej i trzeciej.

Skontaktuj się z naszym zespołem inżynierów już dziś, aby uzyskać bezpłatną ocenę wykonalności warunków rurociągu i wymagań pomiarowych.