Simuleringsstudie av den externa klämmans ultraljudsflödesmätare
Simuleringsstudien av den externaklämma fastultraljudsflödesmätareinnebär att modellera och simulera flödesmätarens arbetsprincip och prestanda för att optimera dess design, förbättra mätnoggrannheten eller utvärdera dess prestanda under olika driftsförhållanden.
Numerisk simuleringsmodellering
Numerisk simuleringsmodellering används för att upprätta matematiska modeller för vätskeflöde och ultraljudsvågutbredning, inklusive vätskedynamikekvationer och akustiska ekvationer. Computational Fluid Dynamics (CFD)-verktyg används för att modellera vätskeflödet. Dessa verktyg kan simulera turbulens, flödeshastighetsfördelning, etc., och analysera effekten av ultraljudsvågutbredning. Baserat på CFD utförs akustisk analys för att simulera utbredning och reflektion av ultraljudssignalen. Programvara för akustisk simulering (som den akustiska modulen i COMSOL Multiphysics) kan användas för att slutföra detta. Finita elementanalys (FEA) av ultraljudssensorstrukturen utförs för att förstå dess prestanda under olika förhållanden. FEA hjälper till att analysera effekterna av termisk expansion, vibrationer etc. på mätresultaten. Kontakten mellan sensorn och rörledningen beaktas i simuleringen för att utvärdera dess effekt på ultraljudsöverföring.
Laboratorieverifiering och optimering
I laboratoriet används en flödestestbänk för faktisk flödesmätning och resultaten jämförs med simuleringsresultaten för att verifiera simuleringsmodellens noggrannhet. Parametrar för simuleringsmodellen justeras baserat på experimentella resultat för att förbättra prediktionsnoggrannheten. Genom simulering optimeras sensorns position, fixturdesign och installationsmetod för att förbättra mätnoggrannheten och stabiliteten. Följer ordentligtklämma på riktlinjerna för installation av ultraljudsflödesmätareär avgörande under denna optimeringsprocess, eftersom felaktig installation avsevärt kan påverka mätnoggrannheten. Olika felförhållanden (som bubblor, fasta partiklar) simuleras i simuleringen för att utvärdera deras inverkan på flödesmätarens prestanda. Under den experimentella processen måste vätskans fysikaliska egenskaper (såsom temperatur och tryck) beaktas, eftersom dessa egenskaper påverkar hastigheten på ultraljudsvågens utbredning. Dessutom kan brus och störningar i den verkliga miljön påverka kvaliteten på ultraljudssignalen, vilket också kräver optimering av signalbehandlingsalgoritmer genom simuleringar och experiment.
COMSOL Multiphysics Simuleringsanalys
Med COMSOL Multiphysics 5.6-programvaran som ett exempel för modellkonstruktion och simuleringsanalys kan simuleringar analysera inverkan av olika vinklar, rörledningsmaterial, rördiametrar, ultraljudsfrekvenser och installationsmetoder på ultraljudsvågutbredning. Det schematiska diagrammet för ultraljudsflödesmätningsmodellen visas i figur 3.6. För att förbättra beräkningseffektiviteten för 3D-modelllösningen använder vi vanligtvis symmetri för att simulera hälften av kanalen för att representera hela modellen. Under modellkonstruktionsprocessen bör inverkan av olika rörledningsmaterial på ultraljudsbrytningsvinkeln beaktas, liksom de olika horisontella förskjutningsavstånden för de två omvandlarna installerade under olika rördiametrar.
Figur 3.6 Schematiskt diagram över konstruktion av ultraljudsflödesmätningsmodeller
Installationsmetoder för givare
För att uppfylla de allmänna kraven för mätning av olika rördiametrar bör olika arbetsfrekvenser för ultraljudsgivare och olika installationsmetoder för givare användas vid ultraljudsflödesmätning. Deklämma på typ ultraljudsflödesmätareerbjuder särskilda fördelar i detta avseende, eftersom det möjliggör icke-invasiv installation utan att kräva rörkapning eller processavstängning. Vanliga installationsmetoder inkluderar V--form, Z--form, N--form och W--form. För att studera effekten av olika givarinstallationsmetoder på ultraljudsvågsutbredningssignaler är det nödvändigt att utföra relaterad forskning. Den här artikeln använder huvudsakligen Z--formgivares installationsmetod för modelleringssimulering som ett exempel för demonstration.
Discontinuous Galerkin Method and Grid Division
I COMSOL Multiphysics 5.6 används gränssnittsmodulen "Convection Equation, Time Domain Explicit", och som standard utgör den en del av formeln med kvartsfunktioner. För att lösa vågproblem har Discontinuous Galerkin-metoden visat sig vara en effektiv metod. Den diskontinuerliga Galerkin-metoden förenklar rutnätsdelningsproblemet i stora modeller, tillåter användning av fria tetraedriska rutnät med halv-våglängdsstorlek och löser slutligen hela modellen. I den faktiska rutnätsdelningen ställer vi vanligtvis in rutnätselementets storlek till valfritt värde mellan en halv våglängd och två-tredjedelar av en våglängd för att erhålla lämplig rumslig upplösning. När du använder tids-domänens explicita lösare kontrolleras den interna tidsstegstorleken strikt av COMSOL-programvaran, så det minsta rutnätselementet i modellen styr tidssteget. Vid inställning av fria tetraedriska rutnätselement måste de maximala och minsta elementstorlekarna kontrolleras. I COMSOL Multiphysics 5.6, för domänens explicita tidsgränssnitt för "Konvektionsekvation"-, väljs det interna tidssteget automatiskt baserat på rutnätets förfiningsnivå och fysiska egenskaper. Figur 3.7 visar rutnätsindelningen för att studera bakgrundsflödeshastighet och akustik med hjälp av installationsmetoden Z-form.
(a) Bakgrundsflödeshastighet (b) Akustik
Figur 3.7 Grid Division för att studera bakgrundsflödeshastighet och akustik vid olika tidpunkter
Fysisk fältkonfiguration
Efter att modellen har konstruerats måste fysiska fält ställas in. Vätskedomänen i rörledningen är inställd som fysiskt laminärt eller turbulent flödesfält för att simulera vätskan i rörledningen under faktisk användning; vätskedomänen i pipelinen, pipelinen och omvandlarna på båda sidor av pipelinen är inställda som det fysiska fältet "Konvektionsekvation, Time Domain Explicit" för att simulera utbredningen av ultraljudsvågor. I den fysiska fältuppsättningen "Konvektionsekvation, Time Domain Explicit" definieras ändarna av pipelinen som impedansgränser för att trunkera beräkningen. I laminära eller turbulenta simuleringar är vätskeinloppet till vänster och vätskeutloppet till höger. Aspänn påultraljudsflödesmätarekonfigurationen upprättas med en ultraljudssändare installerad på undersidan av rörledningen och en mottagare installerad på ovansidan. En normal hastighet appliceras vid sändaränden för att avge ultraljudsvågor.
Vätsketillståndsmodellering och analys
När du använder programvaran COMSOL Multiphysics 5.6 för simuleringar av ultraljudsflödesmätningar måste vätsketillståndet i rörledningen modelleras och analyseras först. Med ett PVC-rör med en ytterdiameter på 15 mm och en väggtjocklek på 0,75 mm som exempel utfördes laminära och turbulenta simuleringar. Dessa simuleringar är viktiga för att förstå hurultraljudsrem på flödesmätarefungerar under olika flödesförhållanden. Laminär flödessimulering använder modulen "Laminär flöde" i COMSOL Multiphysics 5.6 för fysisk fältinställning, och simulering av turbulent flöde använder modulen "Turbulent Flow, k-ω". Figur 3.8 visar storleken på bakgrundsflödeshastigheten under laminära och turbulenta förhållanden.
Av figur 3.8 kan man se att under laminära flödesförhållanden är flödeshastigheten i varje del av rörledningen nästan enhetlig, nära den genomsnittliga flödeshastigheten för bakgrundsvätskan. Enligt diagrammet indikerar den djupare färgen i mitten av rörledningen högre flödeshastighet.
(a) Laminärt flöde (b) Turbulent flöde
Figur 3.8 Storleken på bakgrundsflödeshastighet under olika vätsketillstånd
Bakgrundsflödeshastighetsanalys
För att tydligare visa flödeshastigheten i varje del av rörledningen valdes en sektion av rörledningen för att plotta bakgrundsflödeshastighetskurvan. Figur 3.9 visar bakgrundsflödeshastighetskurvorna under laminära och turbulenta flödesförhållanden.
För PVC-röret med en ytterdiameter på 15 mm och en väggtjocklek på 0,75 mm genomfördes simuleringsanalys. Simuleringsresultaten med hjälp av modulen "Laminärt flöde" visas i figur 3.9(a). Det kan ses att i det laminära flödestillståndet sker flödeshastighetsövergången endast inom ett 5 mm intervall på rörytan, medan flödeshastigheten på andra platser är cirka 10 m/s, vilket indikerar att vätska upplever flödesfördröjning nära rörväggen på grund av rörfriktion. Däremot visas simuleringsresultaten med "Turbulent Flow, k-ω"-modulen i figur 3.9(b). Det kan ses att under villkoret med en medelflödeshastighet på 10 m/s är flödeshastigheten nära rörväggen cirka 4,5 m/s, och flödeshastigheten i mitten av rörledningen kan nå cirka 12,2 m/s, varvid flödeshastighetsfördelningen bildar en parabolisk form.
(a) Laminärt flöde
(b) Turbulent flöde
Figur 3.9 Bakgrundskurvor för flödeshastighet under olika vätsketillstånd
