Simulatiestudie van de ultrasone stroommeter met externe klem
De simulatiestudie van de externeklem vastultrasone flowmeteromvat het modelleren en simuleren van het werkingsprincipe en de prestaties van de flowmeter om het ontwerp ervan te optimaliseren, de meetnauwkeurigheid te verbeteren of de prestaties ervan onder verschillende bedrijfsomstandigheden te evalueren.
Numerieke simulatiemodellering
Numerieke simulatiemodellering wordt toegepast om wiskundige modellen op te stellen voor vloeistofstroming en ultrasone golfvoortplanting, inclusief vloeistofdynamica-vergelijkingen en akoestische vergelijkingen. Computational Fluid Dynamics (CFD)-tools worden gebruikt om de vloeistofstroom te modelleren. Deze tools kunnen turbulentie, stroomsnelheidsverdeling enz. simuleren en de impact van de voortplanting van ultrasone golven analyseren. Op basis van CFD wordt akoestische analyse uitgevoerd om de voortplanting en reflectie van het ultrasone signaal te simuleren. Hiervoor kan akoestische simulatiesoftware (zoals de akoestische module in COMSOL Multiphysics) worden gebruikt. Eindige-elementenanalyse (FEA) van de ultrasone sensorstructuur wordt uitgevoerd om de prestaties ervan onder verschillende omstandigheden te begrijpen. FEA helpt bij het analyseren van de effecten van thermische uitzetting, trillingen, enz. op de meetresultaten. In de simulatie wordt rekening gehouden met het contact tussen de sensor en de pijpleiding om het effect ervan op de ultrasone transmissie te evalueren.
Laboratoriumverificatie en optimalisatie
In het laboratorium wordt een stromingstestbank gebruikt voor de daadwerkelijke stromingsmeting, en de resultaten worden vergeleken met de simulatieresultaten om de nauwkeurigheid van het simulatiemodel te verifiëren. Parameters van het simulatiemodel worden aangepast op basis van experimentele resultaten om de voorspellingsnauwkeurigheid te verbeteren. Door middel van simulatie worden de positie, het armatuurontwerp en de installatiemethode van de sensor geoptimaliseerd om de meetnauwkeurigheid en stabiliteit te verbeteren. Het juiste volgenklem op de installatierichtlijnen van de ultrasone flowmeteris cruciaal tijdens dit optimalisatieproces, omdat een onjuiste installatie de nauwkeurigheid van de metingen aanzienlijk kan beïnvloeden. In de simulatie worden verschillende foutcondities (zoals bellen en vaste deeltjes) gesimuleerd om hun impact op de prestaties van de flowmeter te evalueren. Tijdens het experimentele proces moet rekening worden gehouden met de fysieke eigenschappen van de vloeistof (zoals temperatuur en druk), omdat deze eigenschappen de snelheid van de voortplanting van ultrasone golven beïnvloeden. Bovendien kunnen ruis en interferentie in de echte omgeving de kwaliteit van het ultrasone signaal beïnvloeden, wat ook optimalisatie van signaalverwerkingsalgoritmen vereist door middel van simulaties en experimenten.
COMSOL Multiphysics-simulatieanalyse
Door de COMSOL Multiphysics 5.6-software als voorbeeld te nemen voor modelconstructie en simulatieanalyse, kunnen simulaties de impact van verschillende hoeken, pijpleidingmaterialen, pijpdiameters, ultrasone frequenties en installatiemethoden op de voortplanting van ultrasone golven analyseren. Het schematische diagram van het ultrasone flowmeetmodel wordt getoond in Figuur 3.6. Om de rekenefficiëntie van de 3D-modeloplossing te verbeteren, gebruiken we meestal symmetrie om de helft van het kanaal te simuleren om het hele model weer te geven. Tijdens het modelbouwproces moet rekening worden gehouden met de invloed van verschillende pijpleidingmaterialen op de ultrasone brekingshoek, evenals met de verschillende horizontale verplaatsingsafstanden voor de twee transducers die onder verschillende pijpdiameters zijn geïnstalleerd.
Figuur 3.6 Schematisch diagram van de constructie van het ultrasone flowmetingsmodel
Installatiemethoden voor transducers
Om te voldoen aan de algemene vereisten voor het meten van verschillende buisdiameters, moeten bij ultrasone stroommetingen verschillende werkfrequenties van ultrasone transducers en verschillende transducerinstallatiemethoden worden gebruikt. Deklem op type ultrasone stroommeterbiedt in dit opzicht bijzondere voordelen, omdat het een niet-invasieve installatie mogelijk maakt zonder dat er pijpen moeten worden doorgesneden of het proces moet worden stilgelegd. Veelgebruikte installatiemethoden zijn V-vorm, Z-vorm, N-vorm en W-vorm. Om de impact van verschillende transducerinstallatiemethoden op de voortplantingssignalen van ultrasone golven te bestuderen, is het noodzakelijk om gerelateerd onderzoek uit te voeren. In dit artikel wordt hoofdzakelijk gebruik gemaakt van modelleringssimulatie van de Z--vorm transducer-installatiemethode als voorbeeld voor demonstratie.
Discontinue Galerkin-methode en rasterverdeling
In COMSOL Multiphysics 5.6 wordt de interfacemodule "Convection Equation, Time Domain Explicit" gebruikt, en deze maakt standaard deel uit van de formule met vierdegraadsfuncties. Voor het oplossen van golfproblemen is bewezen dat de Discontinuous Galerkin-methode een efficiënte methode is. De Discontinue Galerkin-methode vereenvoudigt het probleem van de roosterverdeling in grote modellen, maakt het gebruik van vrije tetraëdrische roosters met een halve golflengte mogelijk, en lost uiteindelijk het hele model op. Bij de daadwerkelijke rasterindeling stellen we de rasterelementgrootte gewoonlijk in op een waarde tussen een halve golflengte en twee- derde van een golflengte om de juiste ruimtelijke resolutie te verkrijgen. Wanneer u de expliciete oplosser tijd-domein gebruikt, wordt de interne tijdstapgrootte strikt gecontroleerd door de COMSOL-software, dus het kleinste rasterelement in het model bepaalt de tijdstap. Bij het plaatsen van vrije tetraëdrische rasterelementen moeten de maximale en minimale elementgroottes worden gecontroleerd. In COMSOL Multiphysics 5.6 wordt voor de tijddomein-expliciete interface 'Convectievergelijking'-de interne tijdstap automatisch geselecteerd op basis van het verfijningsniveau en de fysieke eigenschappen van het raster. Figuur 3.7 toont de rasterverdeling voor het bestuderen van achtergrondstromingssnelheid en akoestiek met behulp van de Z--vormige installatiemethode.
(a) Achtergrondstroomsnelheid (b) Akoestiek
Figuur 3.7 Rasterverdeling voor het bestuderen van achtergrondstromingssnelheid en akoestiek op verschillende tijdstippen
Fysieke veldconfiguratie
Nadat het model is geconstrueerd, moeten fysieke velden worden ingesteld. Het vloeistofdomein in de pijpleiding is ingesteld als een laminair of turbulent stromingsfysisch veld om de vloeistof in de pijpleiding tijdens feitelijk gebruik te simuleren; het vloeistofdomein in de pijpleiding, de pijpleiding en de transducers aan beide zijden van de pijpleiding zijn ingesteld als het fysieke veld "Convectievergelijking, Tijdsdomein Expliciet" om de voortplanting van ultrasone golven te simuleren. In de fysieke veldopstelling "Convectievergelijking, tijdsdomein expliciet" worden de uiteinden van de pijpleiding gedefinieerd als impedantiegrenzen om de berekening af te korten. Bij laminaire of turbulente simulaties bevindt de vloeistofinlaat zich aan de linkerkant en de vloeistofuitlaat aan de rechterkant. Ariem aanultrasone flowmeterDe configuratie wordt tot stand gebracht met een ultrasone zender geïnstalleerd aan de onderkant van de pijpleiding en een ontvanger aan de bovenkant. Aan het zenderuiteinde wordt een normale snelheid toegepast om ultrasone golven uit te zenden.
Modellering en analyse van vloeibare toestanden
Wanneer COMSOL Multiphysics 5.6-software wordt gebruikt voor simulaties van ultrasone stromingsmetingen, moet eerst de vloeistoftoestand in de pijpleiding worden gemodelleerd en geanalyseerd. Met een PVC-buis met een buitendiameter van 15 mm en een wanddikte van 0,75 mm als voorbeeld zijn laminaire en turbulente simulaties uitgevoerd. Deze simulaties zijn essentieel om te begrijpen hoe deultrasone strap-on flowmeterpresteert onder verschillende stromingsomstandigheden. Laminaire stromingssimulatie gebruikt de module "Laminaire stroming" in COMSOL Multiphysics 5.6 voor fysieke veldopstelling, en turbulente stromingssimulatie gebruikt de module "Turbulente stroming, k-ω". Figuur 3.8 toont de omvang van de achtergrondstroomsnelheid onder laminaire en turbulente omstandigheden.
Uit figuur 3.8 blijkt dat onder laminaire stromingsomstandigheden de stroomsnelheid in elk deel van de pijpleiding vrijwel uniform is, dicht bij de gemiddelde stroomsnelheid van de achtergrondvloeistof. Volgens het diagram duidt de diepere kleur in het midden van de pijpleiding op een hogere stroomsnelheid.
(a) Laminaire stroming (b) Turbulente stroming
Figuur 3.8 Omvang van de achtergrondstromingssnelheid onder verschillende vloeistoftoestanden
Achtergrondstroomsnelheidsanalyse
Om de stroomsnelheid in elk deel van de pijpleiding duidelijker weer te geven, werd een sectie van de pijpleiding geselecteerd om de achtergrondstroomsnelheidscurve uit te zetten. Figuur 3.9 toont de achtergrondstroomsnelheidscurven onder laminaire en turbulente stromingsomstandigheden.
Voor de PVC-buis met een buitendiameter van 15 mm en een wanddikte van 0,75 mm is een simulatieanalyse uitgevoerd. De simulatieresultaten met behulp van de module "Laminar Flow" worden weergegeven in Figuur 3.9(a). Het is te zien dat in de laminaire stromingstoestand de stroomsnelheidsovergang slechts binnen een bereik van 5 mm op het buisoppervlak plaatsvindt, terwijl de stroomsnelheid op andere locaties ongeveer 10 m/s bedraagt, wat aangeeft dat vloeistof stromingsvertraging ondervindt nabij de buiswand als gevolg van leidingwrijving. De simulatieresultaten met behulp van de module "Turbulente stroming, k-ω" worden daarentegen weergegeven in figuur 3.9(b). Te zien is dat onder de voorwaarde van een gemiddelde stroomsnelheid van 10 m/s de stroomsnelheid nabij de buiswand ongeveer 4,5 m/s bedraagt, en de stroomsnelheid in het midden van de pijpleiding ongeveer 12,2 m/s kan bereiken, waarbij de stroomsnelheidsverdeling een parabolische vorm vormt.
(a) Laminaire stroming
(b) Turbulente stroming
Figuur 3.9 Achtergrondstroomsnelheidscurven onder verschillende vloeistoftoestanden
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in deze onderwerpen.
