- Af LiuXing, Senior Flow Measurement Engineer med 15+ års erfaring i forskning og udvikling af ultralydsflowmålere,

certificeret i CFD-analyse (ANSYS Fluent Professional)

Teknisk værdi af indsættelse Ultrasonic Flow Meter Pipeline Structure Simulation

Hvorfor er der behov for simuleringsteknologi?

I praktisk teknik, udførelsen af ​​indsættelseultralyds flowmålereer væsentligt påvirket af rørledningsforholdene. Traditionelle metoder er afhængige af gentagen-fejlretning på webstedet, hvilket ikke kun er dyrt, men også kan afsløre designfejl først efter idriftsættelse. Introduktionen af ​​simuleringsteknologi har ændret denne situation, hvilket gør det muligt for ingeniører at identificere og løse potentielle problemer på designstadiet.

Dens kerneværdi ligger i: at overføre "prøve-og-omkostninger" fra marken til computere, og erstatte dyre fysiske eksperimenter med numeriske beregninger.

Seks store tekniske problemer løst ved simulering

Sådan bestemmes sondens position

Strømningshastigheden i rørledninger er ikke ensartet fordelt. Albuer og ventiler skaber lokale hvirvler, og installation af sonder i disse områder vil føre til forvrængede aflæsninger. Ingeniører bruger væskemekaniske beregninger til at visualisere hastighedsvektorer på hvert punkt i rørledningen og vælger derved relativt stabile flowfelttværsnit til sensorinstallation, hvilket er afgørende for nøjagtig bestemmelse af flowprofilkorrektionsfaktor (FPCF).

Praksis viser: mindre forskelle i sondens hældningsvinkel (på 5 graders niveau) vil ændre flowtilstanden i måleområdet. Systematisk afprøvning af flere vinkelkonfigurationer for at finde løsningen med minimal fejl er næsten upraktisk i fysiske eksperimenter, men beregningsanalyse kan gennemføres inden for få dage, mens der tages højde for transducerens fremspring og fordybningseffekter.

Hvor er nøjagtighedens flaskehals

Ultralydsmåling bygger på "tidsforskel"-princippet, og ændringer i væskeparametre (temperatur, tryk, sammensætning) påvirker alle lydhastigheden. Simple empiriske formler er vanskelige at dække alle driftsforhold, især når de opfylder kravene til custody transfer nøjagtighed.

Simulering etablerer kortlægningsforholdet mellem inputparametre og måleafvigelse gennem Reynolds talafhængighedsanalyse. For eksempel, når væsketemperaturen svinger ±10 grader, hvor meget ændres lydhastigheden så? Hvordan omsættes denne ændring til flowfejl? Med disse kvantitative data kan effektive temperaturkompensationsalgoritmer designes.

Sådan håndteres komplekse flowtilstande

Den laminære strømningsmodel i lærebøger optræder sjældent i egentlige rørledninger. Turbulens, sekundær strømning og endda gas-væske i to-fase får hastighedsprofiler til at afvige alvorligt fra ideelle tilstande. Computational Fluid Dynamics (CFD) kan reproducere disse komplekse fænomener. Tekniske tilfælde viser: Der eksisterer stadig en betydelig hastighedsskævhed 15 rørdiametre nedstrøms for en bestemt 90-graders bøjning. Uden at forstå dette kan flow beregnet i henhold til standard flowfeltantagelser afvige med flere procentpoint, hvilket især påvirker multipath ultralydflowmålerintegrationsnøjagtighed.

Optimering af akustisk bølgeudbredelse

Ultralydsbølger støder på interferens såsom rørvægsreflektioner, svejsespredning og medium uensartethed under udbredelsen. Den kumulative effekt af disse faktorer kan svække signalstyrken eller introducere støj.

Akustisk simulering ved hjælp af akustiske strålesporingssimuleringsteknikker afslører den faktiske bane for stråler inde i rørledninger. Nogle geometriske konfigurationer producerer "akustiske skyggezoner", hvilket resulterer i ekstremt svage modtagne signaler; andre konfigurationer, selvom de har stærke signaler, har flervejseffekter, der forårsager bølgeformsforvrængning. Gennem sammenlignende analyse kan ingeniører vælge arrangementsskemaet med optimalt signal-til-støjforhold.

Ydeevnesikring under installationsbegrænsninger

Standardspecifikationer kræver typisk 20 rørdiametre af opstrøms lige rørsektion, men markforhold kan ofte ikke opfylde dette krav. Omkostningerne til ændring af rørledninger kan nå op på hundredtusindvis af dollars.

Simulering giver mulighedsvurdering for "ikke-standardinstallation." Ved at beregne graden af ​​genvinding af flowfelt under forskellige lige rørsektionslængder, kombineret med multi-vejkonfigurationskompensationteknologived hjælp af Gauss-Jacobi-integrationsmetoden kan der opnås kvalificeret nøjagtighed i rum med kun 6-8 rørdiametre. Dette kræver skræddersyet analyse til specifikke projekter i stedet for blot at anvende specifikationer, samtidig med at ISO 17089 overensstemmelsesvalidering sikres.

Anvendelse på specielle medier

Driftsforhold, såsom væsker med høj-viskositet, opslæmninger, der indeholder faste partikler, og gasser med høj-høj temperatur- har strømningsegenskaber, der adskiller sig væsentligt fra konventionelle væsker. Udslætsinstallation kan føre til beskadigelse af udstyr eller målefejl.

Simulering gør det muligt at teste ekstreme forhold i virtuelle miljøer. For eksempel at beregne, om slagkraften af ​​høj-gasstrømning på sonden vil forårsage strukturel resonans gennem forudsigelse af vortex-afgivelsesfrekvens; eller analysere, om partikelpåvirkningsfrekvens vil fremskynde sensorslid. Denne information guider materialevalg og strukturelt armeringsdesign.

Grænser for teknisk anvendelse

Simulering er ikke almægtig. Dens nøjagtighed afhænger af:

• Om den matematiske model dækker reelle fysiske processer
• Om indstillinger for grænsebetingelser stemmer overens med faktiske situationer
• Om beregningsressourcer er tilstrækkelige til en raffineret løsning

For helt nye flowfænomener eller ekstreme driftsforhold kræver simuleringsresultater eksperimentel datavalidering. Ikke desto mindre kan simulering stadig i høj grad indsnævre det eksperimentelle omfang, fokusere på nøgleparametre og væsentligt forbedre forsknings- og udviklingseffektiviteten.

Figur 3.1: Ultralydsflowmåler af typen -indsættelse

Figur 3.1 viser en almindeligt anvendt ultralydsflowmåler af typen -. Dens arbejdsprincip er at installere et par ultralydssensorer på begge sider af rørledningen og opnå nøjagtig flowmåling ved at detektere og beregne forskellen mellem ultralydspulshastighederne i nedstrøms og opstrøms flow. Under måleprocessen sender og modtager sensorerne skiftevis ultralydssignaler i modsatte retninger. Ultralydssignalerne forplanter sig hurtigere i downstream flow end i upstream flow; når væsken er stationær, er tidsforskellen nul. Derfor kan tidsforskellen t opnås ved at måle udbredelsestiden for ultralydsbølger i nedstrøms og opstrøms strømning. Ifølge forholdet mellem t og strømningshastighed V kan væskens gennemsnitlige strømningshastighed måles indirekte, og den volumetriske strømningshastighed Q kan beregnes baseret på rørledningens tværsnitsareal.

Væskekanaldesignet bør tage højde for væskestrømningshastigheden og strømningsområdet, hvor rørledningsdesignet skal fokusere mere på væskestrømningshastighedsområdet for at sikre nøjagtigheden af ​​strømningsmålingen. For høj eller lav væskestrømningshastighed vil i sidste ende påvirke udbredelsen af ​​ultralydssignaler.

Rørledningsdimensionerne, nemlig rørledningens indvendige diameter, skal passe til den indvendige diameter af den målte rørledning for at reducere forstyrrelser af væskestrømmen og dermed undgå at påvirke de endelige måleresultater. Støttestrukturen i rørledningsstrukturen bør vælge korrosions--bestandige og slid--materialer for at forlænge levetiden; samtidig er et rimeligt design nødvendigt for at sikre dets stabilitet under høj strømningshastighed eller højt tryk. Ultralydstransduceren skal vælge en passende ultralydstransducertype (såsom guidet bølgetype eller reflektionstype) i henhold til applikationskravene og derefter vælge en passende position til at installere ultralydstransduceren for at sikre, at ultralydssignalet effektivt kan passere gennem hele rørledningen.
Ud over de ovennævnte faktorer omfatter forskning udført af Tang Xiaoyu[103] og andre forskere fra Zhejiang University også: under 90 graders bøjnings- og 180 graders bøjningsforhold, indflydelsen af ​​ikke--ideel strømningshastighedsfordeling på hver akustisk vej af ultralydsflowmåleren, især påvirkningen af ​​flowhastighedsmåling og flowmåler. Zhang Zhijun og Zhu Yingsheng[102] og andre forskere, baseret på tidligere forskning, brugte CFD-simuleringsteknologi til at udføre simuleringsanalyse på 7 vinkler (med 5 graders intervaller) mellem 30 grader og 60 grader for ultralydstransducers installationsvinkler. Resultaterne viser, at: forskellige installationsvinkler påvirker strømningshastighedsfordelingen i rilledelen af ​​den akustiske bane. Samtidig blev den relative fejl mellem den simulerede strømningshastighed og den ideelle strømningshastighed analyseret, og det blev bestemt, at den optimale transducerinstallationsvinkel for det konstruerede DN80-diameter gas-ultralydsflowmåler er 50 grader.

Insertion-type Ultrasonic Flow Measurement Pipeline Simulation Research

Simuleringsforskning overvejer tre aspekter:

Væskedynamiksimulering, ultralydsforplantningssimulering og strukturel mekaniksimulering. Ved hjælp af CFD-modeller (Computational Fluid Dynamics) kan væskestrømmen inde i rørledningen simuleres, og derefter kan virkningerne af faktorer som strømningshastighedsfordeling og hvirvelstrøm på ultralydssignaludbredelsen analyseres. Under simuleringsprocessen bør mulige hvirvler, bobler osv. i væsken kontrolleres for så vidt muligt at undgå interferens med ultralydsmåling.
Tager man som eksempel indflydelsen af ​​forskellige transducerinstallationsvinkler på strømningshastighedsfordelingen, hvis den samlede kropslængde af rørledningens flowmåler er L=230 mm og diameteren er D=80 mm. Indstil transducerens installationsvinkel til 30 grader ~60 grader, og opret en simuleringsmodel med 5 graders intervaller. Forskellige monteringsvinkler er vist i figur 3.2. For at reducere computerhukommelsesforbrug og beregningsbelastning, når ANSYS-software udfører simulering, kan CFD-modellen af ​​gas-ultralydsflowmåleren forenkles til en vis grad, kun i betragtning af etableringen af ​​den indre diameter af flowmålerhuset og transducermodellen, hvor resten midlertidigt ignoreres.
Den geometriske model er opdelt i tre dele: forreste rørledning, gas-ultralydsflowmåler og bageste rørledning. Blandt dem anvender de forreste og bageste rørledninger struktureret mesh, den midterste gas-ultralydsflowmåler anvender tetraedrisk mesh, og Interface-overfladeforbindelse bruges ved forbindelsespunkterne, med mesh-forfining ved forbindelsesoverfladerne. De lige udløbs- og indløbsrørledninger anvender struktureret net som hexaedrisk mesh, med en maksimal maskestørrelse sat til 2, Mellemrum1 (første grænselags maskeafstand) på 1,5, Forhold1 (første grænselags maskevæksthastighed) på 2, Mellemrum2 (andet grænselags maskemellemrum, andet grænselags maskeafstand, andet grænselags maskeafstand, andet lag1). rate) på 2. Den maksimale maskestørrelse af gas-ultralydsflowmålerens kropssektion er 5; lokal forfining påføres transducerens mesh med en maksimal maskestørrelse på 1,5; lokal forfining påføres grænseflademasken, idet maskestørrelsen holdes på 2.

Figur 3.2 Skematisk diagram af transducere ved forskellige installationsvinkler

Resultatdiagram for transducervinkeloptimering

Valg og opsætning af CFD-simuleringssoftware

ANSYS Fluent vs COMSOL:Hvilken er bedre til simulering af ultralydsflowmåler?
Turbulensmodel sammenligning:k-ε vs k-ω SST vs RSM for Reynolds nummer 10⁴-10⁷
Netkvalitetskriterier:y+ < 1, billedformat < 100, skævhed < 0,85

Figur 3.3: Modelleringsmodel

På grund af den store hastighedsgradient nær vægoverfladen, er grænselagets mesh-forfining vedtaget ved hjælp af eksponentiel vækstlov, med initialhøjde (initialhøjde) sat til 0,1, højdeforhold (forhold mellem hvert grænselag) på 1,2, antal lag (antal grænselag) på (totalhøjde) på 0, og totalhøjde på 0. Det endelige samlede maskeantal er ca. 1,5 millioner. Tager man DN80 fire--transducerens installationsvinkel på 50 grader som eksempel, vises maskedelingsresultatet i figur 3.3.

Figur 3.4: Hastighedskonturkort ved indløbsstrømningshastighed på 10 m/s, installationsvinkler på 50 grader og 30 grader

For bedre at forstå væskefordelingen inde i rørledningen ved forskellige installationsvinkler, idet man tager de to tilfælde af installationsvinkler på 30 grader og 50 grader som eksempler, når indløbsstrømningshastigheden er 10 m/s, er hastighedskonturkortene for vej 1 og 3 vist i figur 3.4.

Kontakt vores ingeniørteam i dag for en gratis gennemførlighedsvurdering af dine rørledningsforhold og målekrav.