Simuleringsundersøgelse af den eksterne klemme ultralydsflowmåler
Simuleringsstudiet af det eksterneklemme påultralyds flowmålerinvolverer modellering og simulering af flowmålerens arbejdsprincip og ydeevne for at optimere dens design, forbedre målenøjagtigheden eller evaluere dens ydeevne under forskellige driftsforhold.
Numerisk simuleringsmodellering
Numerisk simuleringsmodellering anvendes til at etablere matematiske modeller for væskeflow og ultralydsbølgeudbredelse, herunder væskedynamikligninger og akustiske ligninger. Computational Fluid Dynamics (CFD) værktøjer bruges til at modellere væskestrømmen. Disse værktøjer kan simulere turbulens, strømningshastighedsfordeling osv. og analysere virkningen af ultralydsbølgeudbredelse. Baseret på CFD udføres akustisk analyse for at simulere udbredelsen og reflektionen af ultralydssignalet. Akustisk simuleringssoftware (såsom det akustiske modul i COMSOL Multiphysics) kan bruges til at fuldføre dette. Finite Element Analysis (FEA) af ultralydssensorstrukturen udføres for at forstå dens ydeevne under forskellige forhold. FEA hjælper med at analysere virkningerne af termisk ekspansion, vibrationer osv. på måleresultater. Kontakten mellem sensoren og rørledningen tages i betragtning i simuleringen for at evaluere dens effekt på ultralydstransmission.
Laboratorieverifikation og optimering
I laboratoriet anvendes en flowtestbænk til faktisk flowmåling, og resultaterne sammenlignes med simuleringsresultaterne for at verificere nøjagtigheden af simuleringsmodellen. Parametre for simuleringsmodellen justeres baseret på eksperimentelle resultater for at forbedre forudsigelsesnøjagtigheden. Gennem simulering optimeres sensorens position, armaturdesign og installationsmetode for at forbedre målenøjagtigheden og stabiliteten. Efter korrektklemme på retningslinjer for installation af ultralydsflowmålerer afgørende under denne optimeringsproces, da forkert installation kan påvirke målenøjagtigheden væsentligt. Forskellige fejltilstande (såsom bobler, faste partikler) simuleres i simuleringen for at evaluere deres indvirkning på flowmålerens ydeevne. Under den eksperimentelle proces skal væskens fysiske egenskaber (såsom temperatur og tryk) overvejes, da disse egenskaber påvirker hastigheden af ultralydsbølgeudbredelsen. Derudover kan støj og interferens i det virkelige miljø påvirke kvaliteten af ultralydssignalet, hvilket også kræver optimering af signalbehandlingsalgoritmer gennem simuleringer og eksperimenter.
COMSOL Multiphysics Simuleringsanalyse
Ved at tage COMSOL Multiphysics 5.6-softwaren som et eksempel til modelkonstruktion og simuleringsanalyse, kan simuleringer analysere virkningen af forskellige vinkler, rørledningsmaterialer, rørdiametre, ultralydsfrekvenser og installationsmetoder på ultralydsbølgeudbredelse. Det skematiske diagram af ultralydsflowmålingsmodellen er vist i figur 3.6. For at forbedre beregningseffektiviteten af 3D-modelløsningen bruger vi normalt symmetri til at simulere halvdelen af kanalen for at repræsentere hele modellen. Under modelkonstruktionsprocessen bør indflydelsen af forskellige rørledningsmaterialer på ultralydsbrydningsvinklen tages i betragtning, såvel som de forskellige vandrette forskydningsafstande for de to transducere installeret under forskellige rørdiametre.
Figur 3.6 Skematisk diagram af ultralydsflowmålingsmodelkonstruktion
Transducer installationsmetoder
For at opfylde de generelle krav til måling af forskellige rørdiametre bør der anvendes forskellige arbejdsfrekvenser for ultralydstransducere og forskellige transducerinstallationsmetoder til ultralydsflowmåling. Deklemme på type ultralyds flowmålergiver særlige fordele i denne henseende, da det giver mulighed for ikke-invasiv installation uden at kræve rørskæring eller procesnedlukning. Almindelige installationsmetoder omfatter V--form, Z--form, N--form og W--form. For at studere virkningen af forskellige transducerinstallationsmetoder på ultralydsbølgeudbredelsessignaler er det nødvendigt at udføre relateret forskning. Denne artikel bruger hovedsageligt Z--form transducersimulering af simulering af modelleringsmetoden som et eksempel til demonstration.
Discontinuous Galerkin Method and Grid Division
I COMSOL Multiphysics 5.6 bruges interfacemodulet "Konvektionsligning, Time Domain Explicit", og som standard er det en del af formlen med kvartsfunktioner. Til løsning af bølgeproblemer har Discontinuous Galerkin-metoden vist sig at være en effektiv metode. Den diskontinuerlige Galerkin-metode forenkler gitteropdelingsproblemet i store modeller, hvilket tillader brugen af frie tetraedriske gitter med halv-bølgelængdestørrelse og til sidst løser hele modellen. I den faktiske gitteropdeling sætter vi normalt gitterelementstørrelsen til en hvilken som helst værdi mellem en halv bølgelængde og to-tredjedele af en bølgelængde for at opnå passende rumlig opløsning. Når du bruger den eksplicitte tids-domæneløser, er den interne tidstrinstørrelse strengt kontrolleret af COMSOL-softwaren, så det mindste gitterelement i modellen styrer tidstrinnet. Ved frigørelse af tetraedriske gitterelementer skal de maksimale og minimale elementstørrelser kontrolleres. I COMSOL Multiphysics 5.6, for "Konvektionsligning"-tids-domænets eksplicitte grænseflade, vælges det interne tidstrin automatisk baseret på nettets forfiningsniveau og fysiske egenskaber. Figur 3.7 viser gitterinddelingen til undersøgelse af baggrundsstrømningshastighed og akustik ved hjælp af Z--forminstallationsmetoden.
(a) Baggrundsstrømningshastighed (b) Akustik
Figur 3.7 Grid Division til undersøgelse af baggrundsflowhastighed og akustik på forskellige tidspunkter
Fysisk feltkonfiguration
Efter at modellen er konstrueret, skal der sættes fysiske felter. Væskedomænet i rørledningen er indstillet som laminært eller turbulent flow fysisk felt for at simulere væsken i rørledningen under faktisk brug; væskedomænet i rørledningen, rørledningen og transducerne på begge sider af rørledningen er indstillet som det fysiske felt "Konvektionsligning, eksplicit tidsdomæne" for at simulere udbredelsen af ultralydsbølger. I den fysiske feltopsætning "Konvektionsligning, eksplicit tidsdomæne" er enderne af rørledningen defineret som impedansgrænser for at afkorte beregningen. I laminære eller turbulente simuleringer er væskeindløbet til venstre, og væskeudløbet er til højre. ENspænde påultralyds flowmålerkonfiguration etableres med en ultralydssender installeret på undersiden af rørledningen og en modtager installeret på oversiden. En normal hastighed påføres ved senderenden for at udsende ultralydsbølger.
Væsketilstandsmodellering og analyse
Når du bruger COMSOL Multiphysics 5.6-software til ultralyds-flowmålingssimuleringer, skal væsketilstanden i rørledningen modelleres og analyseres først. Med et PVC-rør med en udvendig diameter på 15 mm og en vægtykkelse på 0,75 mm som eksempel, blev der udført laminære og turbulente simuleringer. Disse simuleringer er afgørende for at forstå, hvordanultralydsrem på flowmålerfungerer under forskellige strømningsforhold. Laminær flowsimulering bruger modulet "Laminar Flow" i COMSOL Multiphysics 5.6 til fysisk feltopsætning, og turbulent flowsimulering bruger modulet "Turbulent Flow, k-ω". Figur 3.8 viser størrelsen af baggrundsstrømningshastigheden under laminære og turbulente forhold.
Af figur 3.8 kan det ses, at under laminære strømningsforhold er strømningshastigheden i hver del af rørledningen næsten ensartet tæt på baggrundsvæskens gennemsnitlige strømningshastighed. Ifølge diagrammet indikerer den dybere farve i midten af rørledningen højere strømningshastighed.
(a) Laminær Flow (b) Turbulent Flow
Figur 3.8 Størrelsen af baggrundsstrømningshastighed under forskellige væsketilstande
Baggrundsflowhastighedsanalyse
For mere tydeligt at vise strømningshastigheden i hver del af rørledningen blev en sektion af rørledningen valgt til at plotte baggrundsstrømningshastighedskurven. Figur 3.9 viser baggrundsstrømningshastighedskurverne under laminære og turbulente strømningsforhold.
For PVC-røret med en udvendig diameter på 15 mm og en vægtykkelse på 0,75 mm blev der udført simuleringsanalyse. Simuleringsresultaterne ved hjælp af modulet "Laminar Flow" er vist i figur 3.9(a). Det kan ses, at i den laminære strømningstilstand sker strømningshastighedsovergang kun inden for et 5 mm område på røroverfladen, mens strømningshastigheden på andre steder er omkring 10 m/s, hvilket indikerer, at væske oplever strømningsforsinkelse nær rørvæggen på grund af rørfriktion. I modsætning hertil er simuleringsresultaterne ved brug af "Turbulent Flow, k-ω"-modulet vist i figur 3.9(b). Det kan ses, at under betingelse af en gennemsnitlig strømningshastighed på 10 m/s, er strømningshastigheden nær rørvæggen omkring 4,5 m/s, og strømningshastigheden i midten af rørledningen kan nå op på ca. 12,2 m/s, hvor strømningshastighedsfordelingen danner en parabolsk form.
(a) Laminær strømning
(b) Turbulent flow
Figur 3.9 Baggrundsstrømningshastighedskurver under forskellige væsketilstande
