Simulacijsko istraživanje ultrazvučnog mjerača protoka s vanjskom stezaljkom
Studija simulacije vanjskogstegnuti seultrazvučni mjerač protokauključuje modeliranje i simulaciju principa rada i performansi mjerača protoka kako bi se optimizirao njegov dizajn, poboljšala točnost mjerenja ili procijenila njegova izvedba u različitim radnim uvjetima.
Numeričko simulacijsko modeliranje
Numeričko simulacijsko modeliranje primjenjuje se za uspostavljanje matematičkih modela za protok fluida i širenje ultrazvučnih valova, uključujući jednadžbe dinamike fluida i akustičke jednadžbe. Alati računalne dinamike fluida (CFD) koriste se za modeliranje protoka fluida. Ovi alati mogu simulirati turbulenciju, raspodjelu brzine protoka itd., te analizirati utjecaj širenja ultrazvučnih valova. Na temelju CFD-a provodi se akustička analiza kako bi se simuliralo širenje i refleksija ultrazvučnog signala. Softver za akustičku simulaciju (kao što je akustični modul u COMSOL Multiphysics) može se koristiti za dovršenje ovoga. Analiza konačnih elemenata (FEA) strukture ultrazvučnog senzora provodi se kako bi se razumjela njegova izvedba u različitim uvjetima. FEA pomaže u analizi učinaka toplinskog širenja, vibracija itd. na rezultate mjerenja. Kontakt između senzora i cjevovoda razmatra se u simulaciji kako bi se procijenio njegov učinak na ultrazvučni prijenos.
Laboratorijska verifikacija i optimizacija
U laboratoriju se ispitni uređaj za protok koristi za stvarno mjerenje protoka, a rezultati se uspoređuju s rezultatima simulacije kako bi se potvrdila točnost simulacijskog modela. Parametri simulacijskog modela prilagođeni su na temelju eksperimentalnih rezultata kako bi se poboljšala točnost predviđanja. Putem simulacije, položaj senzora, dizajn učvršćenja i način ugradnje optimizirani su kako bi se poboljšala točnost mjerenja i stabilnost. Slijedeći pravilnostezaljka na smjernicama za ugradnju ultrazvučnog mjerača protokaključno je tijekom ovog procesa optimizacije, budući da nepravilna instalacija može značajno utjecati na točnost mjerenja. Različiti uvjeti greške (kao što su mjehurići, čvrste čestice) simuliraju se u simulaciji kako bi se procijenio njihov utjecaj na performanse mjerača protoka. Tijekom eksperimentalnog procesa potrebno je uzeti u obzir fizikalna svojstva tekućine (kao što su temperatura i tlak), budući da ta svojstva utječu na brzinu širenja ultrazvučnih valova. Osim toga, šum i smetnje u stvarnom okruženju mogu utjecati na kvalitetu ultrazvučnog signala, što također zahtijeva optimizaciju algoritama za obradu signala putem simulacija i eksperimenata.
COMSOL Multiphysics Simulation Analysis
Uzimajući softver COMSOL Multiphysics 5.6 kao primjer za konstrukciju modela i analizu simulacije, simulacije mogu analizirati utjecaj različitih kutova, materijala cjevovoda, promjera cijevi, ultrazvučnih frekvencija i metoda instalacije na širenje ultrazvučnih valova. Shematski dijagram modela ultrazvučnog mjerenja protoka prikazan je na slici 3.6. Kako bismo poboljšali računalnu učinkovitost rješenja 3D modela, obično koristimo simetriju za simulaciju polovice kanala za predstavljanje cijelog modela. Tijekom procesa konstrukcije modela treba uzeti u obzir utjecaj različitih materijala cjevovoda na kut ultrazvučne refrakcije, kao i različite horizontalne udaljenosti pomaka za dva pretvarača ugrađena ispod različitih promjera cijevi.
Slika 3.6 Shematski dijagram konstrukcije modela ultrazvučnog mjerenja protoka
Metode ugradnje sonde
Kako bi se zadovoljili opći zahtjevi za mjerenje različitih promjera cijevi, u ultrazvučnom mjerenju protoka treba koristiti različite radne frekvencije ultrazvučnih sondi i različite metode ugradnje sonde. Thestezaljka tipa ultrazvučni mjerač protokanudi posebne prednosti u tom smislu jer omogućuje ne-invazivnu instalaciju bez potrebe za rezanjem cijevi ili zaustavljanjem procesa. Uobičajene metode instalacije uključuju V-oblik, Z-oblik, N-oblik i W-oblik. Za proučavanje utjecaja različitih metoda ugradnje pretvarača na signale širenja ultrazvučnih valova potrebno je provesti povezana istraživanja. Ovaj članak uglavnom koristi simulaciju modeliranja metode ugradnje sonde oblika Z- kao primjer za demonstraciju.
Diskontinuirana Galerkinova metoda i podjela mreže
U COMSOL Multiphysics 5.6 koristi se modul sučelja "Convection Equation, Time Domain Explicit" koji prema zadanim postavkama čini dio formule s kvartnim funkcijama. Za rješavanje valnih problema, diskontinuirana Galerkinova metoda se pokazala kao učinkovita metoda. Diskontinuirana Galerkinova metoda pojednostavljuje problem podjele mreže u velikim modelima, dopuštajući upotrebu slobodnih tetraedarskih mreža veličine polovice-valne duljine i konačno rješavajući cijeli model. U stvarnoj podjeli mreže, obično postavljamo veličinu elementa mreže na bilo koju vrijednost između polovice valne duljine i dvije-trećine valne duljine kako bismo dobili odgovarajuću prostornu razlučivost. Pri korištenju eksplicitnog rješavača-vremenske domene, veličina unutarnjeg vremenskog koraka strogo je kontrolirana softverom COMSOL, tako da najmanji element mreže u modelu kontrolira vremenski korak. Prilikom postavljanja slobodnih elemenata tetraedarske mreže moraju se kontrolirati maksimalne i minimalne veličine elemenata. U COMSOL Multiphysics 5.6, za eksplicitno sučelje vremenske{11}}domene "Konvekcijske jednadžbe", interni vremenski korak automatski se odabire na temelju razine preciziranja mreže i fizičkih svojstava. Slika 3.7 prikazuje mrežnu podjelu za proučavanje pozadinske brzine strujanja i akustike pomoću metode ugradnje u obliku slova Z-.
(a) Pozadinska brzina protoka (b) Akustika
Slika 3.7 Podjela mreže za proučavanje pozadinske brzine protoka i akustike u različitim vremenima
Konfiguracija fizičkog polja
Nakon što je model konstruiran potrebno je postaviti fizička polja. Tekuća domena u cjevovodu postavljena je kao fizičko polje laminarno ili turbulentno strujanje za simulaciju fluida u cjevovodu tijekom stvarne upotrebe; tekućinska domena u cjevovodu, cjevovod i pretvarači s obje strane cjevovoda postavljeni su kao fizičko polje "Konvekcijska jednadžba, eksplicitna vremenska domena" za simulaciju širenja ultrazvučnih valova. U postavci fizičkog polja "Jednadžba konvekcije, eksplicitna vremenska domena", krajevi cjevovoda definirani su kao granice impedancije za skraćivanje izračuna. U laminarnim ili turbulentnim simulacijama, ulaz tekućine je s lijeve strane, a izlaz tekućine s desne strane. Apričvrstiti remenultrazvučni mjerač protokakonfiguracija je uspostavljena s ultrazvučnim odašiljačem instaliranim na donjoj strani cjevovoda i prijemnikom instaliranim na gornjoj strani. Normalna brzina primjenjuje se na kraju odašiljača za emitiranje ultrazvučnih valova.
Modeliranje i analiza stanja fluida
Kada koristite softver COMSOL Multiphysics 5.6 za ultrazvučne simulacije mjerenja protoka, prvo je potrebno modelirati i analizirati stanje fluida u cjevovodu. Uzimajući za primjer PVC cijev vanjskog promjera 15 mm i debljine stijenke 0,75 mm, provedene su laminarne i turbulentne simulacije. Ove su simulacije bitne za razumijevanje kakoultrazvučna traka na mjeraču protokaradi pod različitim uvjetima protoka. Simulacija laminarnog toka koristi modul "Laminar Flow" u COMSOL Multiphysics 5.6 za postavljanje fizičkog polja, a simulacija turbulentnog toka koristi modul "Turbulent Flow, k-ω". Slika 3.8 prikazuje veličinu pozadinske brzine strujanja u laminarnim i turbulentnim uvjetima.
Sa slike 3.8 može se vidjeti da je u uvjetima laminarnog strujanja brzina strujanja u svakom dijelu cjevovoda gotovo ujednačena, blizu prosječne brzine strujanja pozadinskog fluida. Prema dijagramu, dublja boja u središtu cjevovoda označava veću brzinu protoka.
(a) Laminarno strujanje (b) Turbulentno strujanje
Slika 3.8 Veličina pozadinske brzine protoka pod različitim stanjima fluida
Analiza brzine protoka u pozadini
Za jasniji prikaz brzine protoka u svakom dijelu cjevovoda, odabran je dio cjevovoda za iscrtavanje pozadinske krivulje brzine protoka. Slika 3.9 prikazuje pozadinske krivulje brzine strujanja u uvjetima laminarnog i turbulentnog strujanja.
Za PVC cijev vanjskog promjera 15 mm i debljine stijenke 0,75 mm provedena je simulacijska analiza. Rezultati simulacije korištenjem modula "Laminar Flow" prikazani su na slici 3.9(a). Može se vidjeti da se u stanju laminarnog protoka, prijelaz brzine protoka događa samo unutar raspona od 5 mm na površini cijevi, dok je brzina protoka na drugim mjestima oko 10 m/s, što ukazuje da tekućina doživljava kašnjenje protoka u blizini stijenke cijevi zbog trenja cijevi. Nasuprot tome, rezultati simulacije korištenjem modula "Turbulentno strujanje, k-ω" prikazani su na slici 3.9(b). Može se vidjeti da pod uvjetom prosječne brzine protoka od 10 m/s, brzina protoka u blizini stijenke cijevi je oko 4,5 m/s, a brzina protoka u središtu cjevovoda može doseći približno 12,2 m/s, pri čemu raspodjela brzine protoka ima parabolični oblik.
(a) Laminarno strujanje
(b) Turbulentno strujanje
Slika 3.9 Pozadinske krivulje brzine protoka pod različitim stanjima tekućine
