Simulacijska studija ultrazvučnog merača protoka sa eksternom stezaljkom
Simulacija studija eksternogstezati seultrazvučni merač protokauključuje modeliranje i simulaciju principa rada i performansi merača protoka kako bi se optimizovao njegov dizajn, poboljšala tačnost merenja ili procenila njegova performansa u različitim radnim uslovima.
Numeričko simulacijsko modeliranje
Numeričko simulacijsko modeliranje se primjenjuje za uspostavljanje matematičkih modela za protok fluida i širenje ultrazvučnog talasa, uključujući jednačine dinamike fluida i akustičke jednačine. Alati računarske dinamike fluida (CFD) koriste se za modeliranje protoka fluida. Ovi alati mogu simulirati turbulenciju, raspodjelu brzine protoka, itd., i analizirati utjecaj širenja ultrazvučnog talasa. Na osnovu CFD-a, izvodi se akustička analiza kako bi se simuliralo širenje i refleksija ultrazvučnog signala. Softver za akustičku simulaciju (kao što je akustički modul u COMSOL Multiphysics) može se koristiti da se ovo završi. Analiza konačnih elemenata (FEA) strukture ultrazvučnog senzora se provodi kako bi se razumjele njegove performanse u različitim uvjetima. FEA pomaže analizirati efekte termičkog širenja, vibracija, itd., na rezultate mjerenja. Kontakt između senzora i cjevovoda se razmatra u simulaciji kako bi se procijenio njegov učinak na ultrazvučni prijenos.
Laboratorijska verifikacija i optimizacija
U laboratoriji se za stvarno mjerenje protoka koristi stol za ispitivanje protoka, a rezultati se upoređuju sa rezultatima simulacije kako bi se provjerila tačnost simulacijskog modela. Parametri simulacionog modela su prilagođeni na osnovu eksperimentalnih rezultata kako bi se poboljšala tačnost predviđanja. Kroz simulaciju, pozicija senzora, dizajn učvršćenja i metoda instalacije optimizirani su kako bi se poboljšala točnost i stabilnost mjerenja. Praćenje ispravnogstezaljke na smjernicama za ugradnju ultrazvučnog mjerača protokaje ključno tokom ovog procesa optimizacije, jer pogrešna instalacija može značajno uticati na tačnost merenja. Različiti uslovi kvara (kao što su mehurići, čvrste čestice) se simuliraju u simulaciji kako bi se procenio njihov uticaj na performanse merača protoka. Tokom eksperimentalnog procesa, fizička svojstva fluida (kao što su temperatura i pritisak) moraju se uzeti u obzir, jer ta svojstva utiču na brzinu širenja ultrazvučnog talasa. Osim toga, šum i smetnje u stvarnom okruženju mogu uticati na kvalitet ultrazvučnog signala, što također zahtijeva optimizaciju algoritama za obradu signala kroz simulacije i eksperimente.
COMSOL Multiphysics Simulation Analysis
Uzimajući COMSOL Multiphysics 5.6 softver kao primjer za konstrukciju modela i simulacijsku analizu, simulacije mogu analizirati utjecaj različitih uglova, materijala cjevovoda, promjera cijevi, ultrazvučnih frekvencija i metoda instalacije na širenje ultrazvučnog talasa. Šematski dijagram modela ultrazvučnog mjerenja protoka prikazan je na slici 3.6. Da bismo poboljšali računsku efikasnost rješenja 3D modela, obično koristimo simetriju da simuliramo polovinu kanala kako bismo predstavili cijeli model. Tokom procesa izgradnje modela, treba uzeti u obzir utjecaj različitih materijala cjevovoda na ugao prelamanja ultrazvuka, kao i različite udaljenosti horizontalnog pomaka za dva pretvarača instalirana pod različitim promjerima cijevi.
Slika 3.6 Šematski dijagram konstrukcije modela ultrazvučnog mjerenja protoka
Metode ugradnje sonde
Da bi se ispunili opći zahtjevi za mjerenje različitih promjera cijevi, različite radne frekvencije ultrazvučnih pretvarača i različite metode ugradnje pretvarača trebale bi se koristiti u ultrazvučnom mjerenju protoka. Thestezaljka na tipu ultrazvučnog merača protokanudi posebne prednosti u ovom pogledu, jer omogućava ne-invazivnu instalaciju bez potrebe za sečenjem 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 srodna istraživanja. Ovaj članak uglavnom koristi simulaciju modela ugradnje pretvarača oblika Z- kao primjer za demonstraciju.
Diskontinuirana Galerkinova metoda i Grid Division
U COMSOL Multiphysics 5.6, koristi se modul interfejsa "Equation Equation, Time Domain Explicit", koji podrazumevano čini deo formule sa kvartičnim funkcijama. Za rješavanje problema s valovima, Diskontinuirana Galerkinova metoda se pokazala kao efikasna metoda. Diskontinuirana Galerkinova metoda pojednostavljuje problem podjele mreže u velikim modelima, dozvoljavajući korištenje slobodnih tetraedarskih mreža sa pola-veličine talasne dužine, i konačno rješavanje cijelog modela. U stvarnoj podjeli mreže obično postavljamo veličinu elementa mreže na bilo koju vrijednost između pola talasne dužine i dvije-trećine talasne dužine da bismo dobili odgovarajuću prostornu rezoluciju. Kada se koristi eksplicitni rješavač vremenske domene, veličina internog vremenskog koraka je strogo kontrolirana od strane COMSOL softvera, tako da najmanji element mreže u modelu kontrolira vremenski korak. Prilikom postavljanja slobodnih tetraedarskih elemenata mreže moraju se kontrolirati maksimalne i minimalne veličine elemenata. U COMSOL Multiphysics 5.6, za eksplicitni interfejs vremenskog domena "Equation Equation"{11}}, interni vremenski korak se automatski bira na osnovu nivoa preciziranja mreže i fizičkih svojstava. Slika 3.7 prikazuje podjelu mreže za proučavanje brzine pozadinskog strujanja i akustike korištenjem metode instalacije oblika Z-.
(a) Brzina strujanja u pozadini (b) Akustika
Slika 3.7 Mrežni odjel za proučavanje brzine strujanja u pozadini i akustike u različitim vremenima
Konfiguracija fizičkog polja
Nakon što je model konstruiran, potrebno je postaviti fizička polja. Domen tečnosti u cevovodu je postavljen kao fizičko polje laminarnog ili turbulentnog toka da bi se simulirao fluid u cevovodu tokom stvarne upotrebe; domen tekućine u cjevovodu, cjevovodu i pretvaračima na obje strane cjevovoda postavljeni su kao fizičko polje "Konvekciona jednačina, eksplicitno vremensko polje" za simulaciju širenja ultrazvučnih talasa. U podešavanju fizičkog polja "Jednačina konvekcije, eksplicitno vremensko područje", krajevi cjevovoda su definirani kao granice impedanse za skraćivanje izračuna. U laminarnim ili turbulentnim simulacijama, ulaz tekućine je lijevo, a izlaz fluida je desno. Aremenultrazvučni merač protokakonfiguracija se uspostavlja sa ultrazvučnim predajnikom instaliranim na donjoj strani cjevovoda i prijemnikom instaliranim na gornjoj strani. Normalna brzina se primjenjuje na kraju predajnika za emitiranje ultrazvučnih valova.
Modeliranje i analiza stanja fluida
Kada koristite COMSOL Multiphysics 5.6 softver za ultrazvučne simulacije mjerenja protoka, prvo treba modelirati i analizirati stanje fluida u cjevovodu. Uzimajući za primjer PVC cijev vanjskog promjera 15 mm i debljine stijenke 0,75 mm, izvedene su laminarne i turbulentne simulacije. Ove simulacije su ključne za razumijevanje kakoultrazvučni kaiš na mjeraču protokaradi u različitim uslovima protoka. Simulacija laminarnog toka koristi modul "Laminar Flow" u COMSOL Multiphysics 5.6 za podešavanje fizičkog polja, a simulacija turbulentnog toka koristi modul "Turbulentni tok, k-ω". Slika 3.8 prikazuje veličinu pozadinske brzine strujanja u laminarnim i turbulentnim uslovima.
Sa slike 3.8 se može vidjeti da je u uslovima laminarnog strujanja brzina strujanja u svakom dijelu cjevovoda gotovo ujednačena, blizu prosječne brzine protoka pozadinskog fluida. Prema dijagramu, dublja boja u centru cjevovoda ukazuje na veću brzinu protoka.
(a) Laminarno strujanje (b) Turbulentno strujanje
Slika 3.8 Veličina pozadinske brzine strujanja u različitim stanjima fluida
Analiza brzine protoka u pozadini
Da bi se jasnije prikazala brzina protoka u svakom dijelu cjevovoda, odabran je dio cjevovoda za iscrtavanje krivulje brzine protoka u pozadini. Slika 3.9 prikazuje krivulje pozadinske brzine strujanja u uslovima laminarnog i turbulentnog strujanja.
Za PVC cijev vanjskog promjera 15 mm i debljine stijenke 0,75 mm izvršena je simulacijska analiza. Rezultati simulacije pomoću modula "Laminarni protok" prikazani su na slici 3.9(a). Može se vidjeti da se u stanju laminarnog toka prijelaz brzine protoka događa samo u rasponu od 5 mm na površini cijevi, dok je brzina protoka na ostalim lokacijama oko 10 m/s, što ukazuje da tekućina doživljava zaostajanje 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 zida cijevi iznosi oko 4,5 m/s, a brzina protoka u centru cjevovoda može doseći približno 12,2 m/s, pri čemu raspodjela brzine protoka formira parabolički oblik.
(a) Laminarni tok
(b) Turbulentno strujanje
Slika 3.9 Krivulje brzine protoka u pozadini pod različitim stanjima fluida
