- Av LiuXing, Senior Flow Measurement Engineer med 15+ års erfarenhet av forskning och utveckling av ultraljudsflödesmätare,

certifierad i CFD-analys (ANSYS Fluent Professional)

Tekniskt värde för införande Ultraljudsflödesmätare Pipeline Structure Simulering

Varför behövs simuleringsteknik?

Inom praktisk teknik, utförandet av insättningultraljudsflödesmätarepåverkas avsevärt av rörledningsförhållandena. Traditionella metoder förlitar sig på upprepad-webbplatsfelsökning, vilket inte bara är kostsamt utan också kan avslöja designfel först efter idrifttagning. Införandet av simuleringsteknik har förändrat denna situation, vilket gör det möjligt för ingenjörer att identifiera och lösa potentiella problem på designstadiet.

Dess kärnvärde ligger i: att överföra "provkostnader-och-fel" från fältet till datorer, ersätta dyra fysiska experiment med numeriska beräkningar.

Sex stora tekniska problem lösta genom simulering

Hur man bestämmer sondens position

Flödeshastigheten i rörledningar är inte jämnt fördelad. Armbågar och ventiler skapar lokala virvlar, och installation av sonder i dessa områden kommer att leda till förvrängda avläsningar. Ingenjörer använder vätskemekaniska beräkningar för att visualisera hastighetsvektorer vid varje punkt i rörledningen, och väljer därigenom relativt stabila flödesfälttvärsektioner för sensorinstallation, vilket är avgörande för exakt bestämning av flödesprofilens korrektionsfaktor (FPCF).

Övning visar: mindre skillnader i sondens lutningsvinkel (på 5-gradersnivån) kommer att ändra flödestillståndet i mätområdet. Att systematiskt testa flera vinkelkonfigurationer för att hitta lösningen med minsta möjliga fel är nästan opraktiskt i fysiska experiment, men beräkningsanalys kan slutföras inom några dagar samtidigt som man tar hänsyn till transduktorns utskjutande och fördjupningseffekter.

Var är noggrannhetsflaskhalsen

Ultraljudsmätning bygger på "tidsskillnad"-principen, och förändringar i vätskeparametrar (temperatur, tryck, sammansättning) påverkar alla ljudhastigheten. Enkla empiriska formler är svåra att täcka alla driftsförhållanden, särskilt när man uppfyller kraven på noggrannhet i vårdnaden.

Simulering etablerar mappningsförhållandet mellan ingångsparametrar och mätavvikelse genom Reynolds talberoendeanalys. Till exempel, när vätsketemperaturen fluktuerar ±10 grader, hur mycket ändras ljudhastigheten? Hur översätts denna förändring till flödesfel? Med dessa kvantitativa data kan effektiva temperaturkompensationsalgoritmer utformas.

Hur man hanterar komplexa flödestillstånd

Den laminära flödesmodellen i läroböcker förekommer sällan i faktiska pipelines. Turbulens, sekundärt flöde och till och med gas-vätsketvå-flöde gör att hastighetsprofiler kraftigt avviker från idealtillstånd. Computational Fluid Dynamics (CFD) kan reproducera dessa komplexa fenomen. Tekniska fall visar: betydande hastighetsskevhet finns fortfarande 15 rördiametrar nedströms en viss 90-graders böj. Utan att förstå detta kan flöde beräknat enligt standardflödesfältantaganden avvika med flera procentenheter, vilket särskilt påverkar multipath ultraljudflödesmätareintegrationsnoggrannhet.

Optimering av akustisk vågutbredning

Ultraljudsvågor stöter på störningar som rörväggsreflektioner, svetsspridning och medium ojämnhet under utbredningen. Den kumulativa effekten av dessa faktorer kan försvaga signalstyrkan eller introducera brus.

Akustisk simulering med hjälp av simuleringstekniker för akustisk strålspårning avslöjar den faktiska banan för strålar inuti rörledningar. Vissa geometriska konfigurationer producerar "akustiska skuggzoner", vilket resulterar i extremt svaga mottagna signaler; andra konfigurationer, även om de har starka signaler, har flervägseffekter som orsakar vågformsdistorsion. Genom jämförande analys kan ingenjörer välja arrangemang med optimalt signal-till-brusförhållande.

Prestandasäkring under installationsbegränsningar

Standardspecifikationer kräver vanligtvis 20 rördiametrar av uppströms rak rörsektion, men fältförhållandena kan ofta inte uppfylla detta krav. Kostnader för modifiering av rörledningar kan uppgå till hundratusentals dollar.

Simulering ger genomförbarhetsbedömning för "icke-standardinstallation." Genom att beräkna graden av flödesfältåtervinning under olika raka rörsektionslängder, kombinerat med fler-vägskonfigurationskompensationteknologimed Gauss-Jacobi-integreringsmetoden kan kvalificerad noggrannhet uppnås i utrymmen med endast 6-8 rördiametrar. Detta kräver skräddarsydd analys för specifika projekt, snarare än att bara tillämpa specifikationer, samtidigt som man säkerställer ISO 17089-efterlevnadsvalidering.

Tillämplighet på specialmedia

Driftsförhållanden som vätskor med hög-viskositet, uppslamningar som innehåller fasta partiklar och gaser med hög-temperatur och högt-tryck har flödesegenskaper som skiljer sig väsentligt från konventionella vätskor. Utslagsinstallation kan leda till utrustningsskador eller mätfel.

Simulering tillåter testning av extrema förhållanden i virtuella miljöer. Till exempel att beräkna huruvida stötkraften från gasflödet med högt-hastighet på sonden kommer att orsaka strukturell resonans genom förutsägelse av virvelavfallsfrekvens; eller analysera om partikelslagfrekvensen kommer att påskynda sensorns slitage. Denna information vägleder materialval och strukturell förstärkningsdesign.

Gränser för teknisk tillämpning

Simulering är inte allsmäktig. Dess noggrannhet beror på:

• Huruvida den matematiska modellen täcker verkliga fysiska processer
• Huruvida gränsvillkorsinställningar överensstämmer med faktiska situationer
• Huruvida beräkningsresurser är tillräckliga för en förfinad lösning

För helt nya flödesfenomen eller extrema driftsförhållanden behöver simuleringsresultat experimentell datavalidering. Ändå kan simulering fortfarande avsevärt begränsa den experimentella omfattningen, fokusera på nyckelparametrar och avsevärt förbättra forsknings- och utvecklingseffektiviteten.

Figur 3.1: Ultraljudsflödesmätare av typen -insättning

Figur 3.1 visar en vanligen använd ultraljudsflödesmätare av -typ. Dess arbetsprincip är att installera ett par ultraljudssensorer på båda sidor av rörledningen och uppnå noggrann flödesmätning genom att detektera och beräkna skillnaden mellan ultraljudspulshastigheterna i nedströms och uppströms flöde. Under mätprocessen sänder och tar sensorerna växelvis emot ultraljudssignaler i motsatta riktningar. Ultraljudssignalerna fortplantar sig snabbare i nedströmsflöde än i uppströmsflöde; när vätskan är stationär är tidsskillnaden noll. Därför kan tidsskillnaden t erhållas genom att mäta utbredningstiden för ultraljudsvågor i nedströms och uppströms flöde. Enligt förhållandet mellan t och flödeshastighet V kan den genomsnittliga flödeshastigheten för vätskan mätas indirekt, och den volymetriska flödeshastigheten Q kan beräknas baserat på rörledningens tvärsnittsarea.

Vätskekanaldesignen bör beakta vätskeflödeshastigheten och flödesområdet, där rörledningsdesignen behöver fokusera mer på vätskeflödeshastighetsområdet för att säkerställa noggrannheten i flödesmätningen. Alltför hög eller låg vätskeflödeshastighet kommer i slutändan att påverka utbredningsegenskaperna hos ultraljudssignaler.

Rörledningens dimensioner, nämligen rörledningens innerdiameter, måste matcha den uppmätta rörledningens innerdiameter för att minska störningen av vätskeflödet och därmed undvika att påverka de slutliga mätresultaten. Stödstrukturen i rörledningsstrukturen bör välja korrosions-beständiga och slitage-material för att förlänga livslängden; samtidigt krävs en rimlig design för att säkerställa dess stabilitet under hög flödeshastighet eller högt tryck. Ultraljudsgivaren måste välja en lämplig typ av ultraljudsgivare (som styrd vågtyp eller reflektionstyp) enligt applikationskraven och sedan välja en lämplig position för att installera ultraljudsgivaren för att säkerställa att ultraljudssignalen effektivt kan passera genom hela rörledningen.
Utöver ovanstående faktorer inkluderar forskning utförd av Tang Xiaoyu[103] och andra forskare från Zhejiang University också: under 90 graders böjnings- och 180 graders böjförhållanden, påverkan av icke-ideal flödeshastighetsfördelning på varje akustisk bana av ultraljudsflödesmätaren, särskilt påverkan på flödeshastighetsmätning och flödesmätare. Zhang Zhijun och Zhu Yingsheng[102] och andra forskare, baserat på tidigare forskning, använde CFD-simuleringsteknik för att utföra simuleringsanalyser på 7 vinklar (med 5 graders intervall) mellan 30 grader och 60 grader för installationsvinklar för ultraljudsgivare. Resultaten visar att: olika installationsvinklar påverkar flödeshastighetsfördelningen i spårdelen av den akustiska banan. Samtidigt analyserades det relativa felet mellan den simulerade flödeshastigheten och den ideala flödeshastigheten, och det fastställdes att den optimala givarinstallationsvinkeln för den designade DN80-diametern gas-ultraljudsflödesmätaren är 50 grader.

Insättnings-typ Ultrasonic Flow Measurement Pipeline Simulation Research

Simuleringsforskning tar hänsyn till tre aspekter:

Simulering av vätskedynamik, simulering av ultraljudsutbredning och simulering av strukturmekanik. Med hjälp av CFD-modeller (Computational Fluid Dynamics) kan vätskeflödet inuti rörledningen simuleras, och sedan kan effekterna av faktorer som flödeshastighetsfördelning och virvelflöde på ultraljudssignalens utbredning analyseras. Under simuleringsprocessen bör eventuella virvlar, bubblor etc. i vätskan kontrolleras för att undvika störningar av ultraljudsmätning så mycket som möjligt.
Med inverkan av olika givarinstallationsvinklar på flödeshastighetsfördelningen som ett exempel, om rörledningens flödesmätares totala längd är L=230 mm och diametern är D=80 mm. Ställ in givarens installationsvinkel till 30 grader ~60 grader och upprätta en simuleringsmodell med 5 graders intervall. Olika installationsvinklar visas i figur 3.2. För att minska datorns minnesförbrukning och beräkningsbelastning när ANSYS-programvaran utför simulering, kan CFD-modellen av gas-ultraljudsflödesmätaren förenklas i viss mån, endast med tanke på etableringen av den inre diametern av flödesmätarhuset och givarmodellen, med resten tillfälligt ignorerad.
Den geometriska modellen är uppdelad i tre delar: främre pipeline, gas ultraljudsflödesmätare och bakre pipeline. Bland dem antar de främre och bakre rörledningarna strukturerat nät, den mellersta gasens ultraljudsflödesmätare använder tetraedriskt nät, och gränssnittsytanslutningen används vid anslutningspunkterna, med nätförfining vid anslutningsytorna. De raka utlopps- och inloppsrörledningarna använder strukturerat nät som hexaedriskt nät, med en maximal maskstorlek inställd på 2, Avstånd1 (första gränsskiktets maskavstånd) på 1,5, Förhållande 1 (första gränsskiktets nättillväxthastighet) av 2, Avstånd2 (andra gränsskiktets maskavstånd, andra gränsskiktets maskavstånd, andra gränsskiktets maskavstånd, andra gränsskiktets maskavstånd 5) och Ratio 1 (första gränsskiktets mesh-tillväxthastighet). hastighet) av 2. Den maximala maskstorleken för gasultraljudsflödesmätarens kroppssektion är 5; lokal förfining appliceras på givarens nät med en maximal maskstorlek på 1,5; lokal förfining tillämpas på gränssnittsnätet och håller maskstorleken på 2.

Figur 3.2 Schematiskt diagram över givare vid olika installationsvinklar

Resultatdiagram för givarens vinkeloptimering

Val och installation av CFD-simuleringsprogramvara

ANSYS Fluent vs COMSOL:Vilket är bättre för simulering av ultraljudsflödesmätare?
Jämförelse av turbulensmodeller:k-ε vs k-ω SST vs RSM för Reynolds nummer 10⁴-10⁷
Nätkvalitetskriterier:y+ < 1, bildförhållande < 100, skevhet < 0,85

Figur 3.3: Modelleringsmodell

På grund av den stora hastighetsgradienten nära väggytan, antas förfining av gränsskiktsnät, med användning av exponentiell tillväxtlag, med initial höjd (initial höjd) inställd på 0,1, höjdförhållande (förhållande mellan varje gränsskikt) på 1,2, antal lager (antal gränsskikt) på 3, och total höjd av 0,7 höjd. Det slutliga totala antalet maskor är cirka 1,5 miljoner. Med DN80:s fyra-vägsgivares installationsvinkel på 50 grader som ett exempel, visas resultatet av maskdelningen i figur 3.3.

Figur 3.4: Hastighetskonturkartor vid inloppsflödeshastighet på 10 m/s, installationsvinklar på 50 grader och 30 grader

För att bättre förstå vätskefördelningen inuti rörledningen vid olika installationsvinklar, med de två fallen med installationsvinklar på 30 grader och 50 grader som exempel, när inloppsflödeshastigheten är 10 m/s, visas hastighetskonturkartorna för väg ett och tre i figur 3.4.

Kontakta vårt ingenjörsteam idag för en kostnadsfri genomförbarhetsbedömning av dina rörledningsförhållanden och mätkrav.