- Door LiuXing, Senior Flow Measurement Engineer met 15+ jaar ervaring in onderzoek en ontwikkeling van ultrasone flowmeters,

gecertificeerd in CFD-analyse (ANSYS Fluent Professional)

Technische waarde van invoeging Ultrasone flowmeter pijpleidingstructuursimulatie

Waarom is simulatietechnologie nodig?

In praktische techniek, de prestaties van het inbrengenultrasone flowmeterswordt aanzienlijk beïnvloed door de omstandigheden in de pijpleidingen. Traditionele methoden zijn afhankelijk van herhaalde foutopsporing op-sites, wat niet alleen kostbaar is, maar ontwerpfouten pas na de inbedrijfstelling aan het licht kan brengen. De introductie van simulatietechnologie heeft deze situatie veranderd, waardoor ingenieurs potentiële problemen in de ontwerpfase kunnen identificeren en oplossen.

De kernwaarde ervan ligt in het overbrengen van 'proef{0}}en-foutkosten' van het veld naar computers, waarbij dure fysieke experimenten worden vervangen door numerieke berekeningen.

Zes grote technische problemen opgelost door simulatie

Hoe de positie van de sonde te bepalen

De stroomsnelheid in pijpleidingen is niet gelijkmatig verdeeld. Ellebogen en kleppen veroorzaken lokale wervelingen, en het installeren van sondes in deze gebieden zal tot vertekende metingen leiden. Ingenieurs gebruiken berekeningen uit de vloeistofmechanica om snelheidsvectoren op elk punt in de pijpleiding te visualiseren, waardoor relatief stabiele stromingsvelddoorsneden-voor de installatie van sensoren worden geselecteerd, wat essentieel is voor een nauwkeurige bepaling van de stromingsprofielcorrectiefactor (FPCF).

De praktijk leert: kleine verschillen in de hellingshoek van de sonde (op een niveau van 5 graden) zullen de stromingstoestand in het meetgebied veranderen. Het systematisch testen van meerdere hoekconfiguraties om de oplossing te vinden met minimale fouten is bijna onpraktisch bij fysieke experimenten, maar de computationele analyse kan binnen enkele dagen worden voltooid, rekening houdend met het uitsteeksel en de uitsparingseffecten van de transducer.

Waar ligt het nauwkeurigheidsknelpunt

Ultrasone metingen zijn gebaseerd op het "tijdsverschil"-principe, en veranderingen in vloeistofparameters (temperatuur, druk, samenstelling) hebben allemaal invloed op de geluidssnelheid. Met eenvoudige empirische formules is het moeilijk om alle bedrijfsomstandigheden te dekken, vooral wanneer wordt voldaan aan de nauwkeurigheidseisen voor de overdracht van gegevens.

Simulatie brengt de mappingrelatie tot stand tussen invoerparameters en meetafwijking via Reynolds-getalafhankelijkheidsanalyse. Als de vloeistoftemperatuur bijvoorbeeld ±10 graden schommelt, hoeveel verandert de geluidssnelheid dan? Hoe vertaalt deze verandering zich in een stroomfout? Met deze kwantitatieve gegevens kunnen effectieve algoritmen voor temperatuurcompensatie worden ontworpen.

Hoe om te gaan met complexe stroomtoestanden

Het laminaire stromingsmodel uit schoolboeken komt zelden voor in daadwerkelijke pijpleidingen. Turbulentie, secundaire stroming en zelfs gas-vloeistofstroming in twee- fasen zorgen ervoor dat snelheidsprofielen ernstig afwijken van ideale toestanden. Computational Fluid Dynamics (CFD) kan deze complexe verschijnselen reproduceren. Technische cases laten zien: er bestaat nog steeds een aanzienlijke snelheidsafwijking 15 pijpdiameters stroomafwaarts van een bepaalde bocht van 90 graden. Zonder dit te begrijpen kan de stroming, berekend volgens de standaardaannames van het stromingsveld, met enkele procentpunten afwijken, met name bij multipad ultrasoon geluid.stroommeternauwkeurigheid van de integratie.

Optimalisatie van het voortplantingspad van akoestische golven

Ultrasone golven krijgen tijdens de voortplanting te maken met interferentie zoals reflecties in de buiswand, lasverstrooiing en gemiddelde niet-uniformiteit. Het cumulatieve effect van deze factoren kan de signaalsterkte verzwakken of ruis veroorzaken.

Akoestische simulatie met behulp van akoestische ray tracing-simulatietechnieken onthult het werkelijke traject van bundels in pijpleidingen. Sommige geometrische configuraties produceren "akoestische schaduwzones", wat resulteert in extreem zwakke ontvangen signalen; andere configuraties hebben weliswaar sterke signalen, maar hebben multipath-effecten die golfvormvervorming veroorzaken. Door middel van vergelijkende analyse kunnen ingenieurs het arrangement selecteren met een optimale signaal-tot-ruisverhouding.

Prestatiegarantie onder installatiebeperkingen

Standaardspecificaties vereisen doorgaans een stroomopwaartse rechte pijpsectie van 20 pijpdiameters, maar veldomstandigheden kunnen vaak niet aan deze vereiste voldoen. De kosten voor het aanpassen van pijpleidingen kunnen honderdduizenden dollars bedragen.

Simulatie biedt een haalbaarheidsbeoordeling voor 'niet-standaardinstallaties'. Door de mate van stromingsveldherstel te berekenen onder verschillende rechte pijpsectielengtes, gecombineerd met multi-padconfiguratiecompensatietechnologiemet behulp van de Gauss--integratiemethode van Gauss kan gekwalificeerde nauwkeurigheid worden bereikt in ruimtes met slechts 6-8 buisdiameters. Dit vereist een analyse op maat voor specifieke projecten, in plaats van simpelweg specificaties toe te passen, terwijl de validatie van de ISO 17089-conformiteit wordt gewaarborgd.

Toepasbaarheid op speciale media

Bedrijfsomstandigheden zoals vloeistoffen met een hoge- viscositeit, slurries die vaste deeltjes bevatten en gassen met een hoge- temperatuur en hoge- druk hebben stromingseigenschappen die aanzienlijk verschillen van die van conventionele vloeistoffen. Overhaaste installatie kan leiden tot schade aan de apparatuur of tot mislukte metingen.

Simulatie maakt het testen van extreme omstandigheden in virtuele omgevingen mogelijk. Bijvoorbeeld het berekenen of de impactkracht van een gasstroom met hoge- snelheid op de sonde structurele resonantie zal veroorzaken door middel van vortex-shedding-frequentievoorspelling; of analyseren of de impactfrequentie van deeltjes de slijtage van de sensor zal versnellen. Deze informatie is bepalend voor de materiaalkeuze en het ontwerp van structurele wapening.

Grenzen van technische toepassingen

Simulatie is niet almachtig. De nauwkeurigheid ervan hangt af van:

• Of het wiskundige model echte fysieke processen omvat
• Of de randvoorwaarde-instellingen overeenkomen met feitelijke situaties
• Of computerbronnen voldoende zijn voor een verfijnde oplossing

Voor compleet nieuwe stromingsverschijnselen of extreme bedrijfsomstandigheden hebben simulatieresultaten experimentele gegevensvalidatie nodig. Niettemin kan simulatie de experimentele reikwijdte nog steeds aanzienlijk verkleinen, zich concentreren op belangrijke parameters en de efficiëntie van onderzoek en ontwikkeling aanzienlijk verbeteren.

Afbeelding 3.1: Ultrasone flowmeter van het insteektype-

Figuur 3.1 toont een veelgebruikte ultrasone flowmeter van het type-. Het werkingsprincipe is om een ​​paar ultrasone sensoren aan beide zijden van de pijpleiding te installeren en een nauwkeurige stroommeting te bereiken door het verschil tussen de ultrasone pulssnelheden in stroomafwaartse en stroomopwaartse stroming te detecteren en te berekenen. Tijdens het meetproces zenden en ontvangen de sensoren afwisselend ultrasone signalen in tegengestelde richtingen. De ultrasone signalen planten zich sneller voort in stroomafwaartse stroming dan in stroomopwaartse stroming; wanneer de vloeistof stilstaat, is het tijdsverschil nul. Door de voortplantingstijd van ultrasone golven in stroomafwaartse en stroomopwaartse stroming te meten, kan daarom het tijdsverschil t worden verkregen. Volgens de relatie tussen t en stroomsnelheid V kan de gemiddelde stroomsnelheid van de vloeistof indirect worden gemeten, en kan de volumetrische stroomsnelheid Q worden berekend op basis van het dwarsdoorsnede-oppervlak van de pijpleiding.

Bij het ontwerp van het vloeistofkanaal moet rekening worden gehouden met de vloeistofstroomsnelheid en het stroombereik, waarbij het ontwerp van de pijpleiding zich meer moet concentreren op het vloeistofstroomsnelheidsbereik om de nauwkeurigheid van de stroommeting te garanderen. Een te hoge of lage vloeistofstroomsnelheid zal uiteindelijk de voortplantingskarakteristieken van ultrasone signalen beïnvloeden.

De afmetingen van de pijpleiding, namelijk de binnendiameter van de pijpleiding, moeten overeenkomen met de binnendiameter van de gemeten pijpleiding om verstoring van de vloeistofstroom te verminderen en zo te voorkomen dat de uiteindelijke meetresultaten worden beïnvloed. De ondersteunende structuur in de pijpleidingstructuur moet corrosie--bestendige en slijtvaste- materialen selecteren om de levensduur te verlengen; tegelijkertijd is een redelijk ontwerp nodig om de stabiliteit ervan onder hoge stroomsnelheid of hoge druk te garanderen. De ultrasone transducer moet een geschikt ultrasoon transducertype (zoals geleide golftype of reflectietype) selecteren op basis van de toepassingsvereisten, en vervolgens een geschikte positie selecteren om de ultrasone transducer te installeren om ervoor te zorgen dat het ultrasone signaal effectief door de gehele pijpleiding kan gaan.
Naast de bovenstaande factoren omvat onderzoek uitgevoerd door Tang Xiaoyu [103] en andere wetenschappers van de Zhejiang Universiteit ook: onder bochtomstandigheden van 90 graden en 180 graden, de invloed van niet-{3}}ideale stroomsnelheidsverdeling op elk akoestisch pad van de ultrasone flowmeter, vooral de impact op de stroomsnelheidsmeting en de nauwkeurigheid van de flowmeter. Zhang Zhijun en Zhu Yingsheng en andere wetenschappers gebruikten, op basis van eerder onderzoek, CFD-simulatietechnologie om simulatieanalyse uit te voeren op 7 hoeken (met intervallen van 5 graden) tussen 30 graden en 60 graden voor installatiehoeken van ultrasone transducers. De resultaten laten zien dat: verschillende installatiehoeken de stroomsnelheidsverdeling in het groefgedeelte van het akoestische pad beïnvloeden. Tegelijkertijd werd de relatieve fout tussen de gesimuleerde stroomsnelheid en de ideale stroomsnelheid geanalyseerd en werd vastgesteld dat de optimale transducerinstallatiehoek voor de ontworpen ultrasone gasstroommeter met een diameter van DN80 50 graden bedraagt.

Invoeging-type Ultrasone stroommeting Pijpleidingsimulatieonderzoek

Simulatieonderzoek beschouwt drie aspecten:

Simulatie van vloeistofdynamica, simulatie van ultrasone voortplanting en simulatie van structurele mechanica. Met behulp van CFD-modellen (Computational Fluid Dynamics) kan de vloeistofstroom in de pijpleiding worden gesimuleerd, en vervolgens kunnen de effecten van factoren zoals stroomsnelheidsverdeling en wervelstroom op de voortplanting van ultrasone signalen worden geanalyseerd. Tijdens het simulatieproces moeten eventuele wervels, bellen enz. in de vloeistof worden gecontroleerd om interferentie met ultrasone metingen zoveel mogelijk te voorkomen.
Neem als voorbeeld de invloed van verschillende installatiehoeken van de transducer op de stroomsnelheidsverdeling, als de totale lichaamslengte van de pijpleidingdebietmeter L=230 mm is en de diameter D=80 mm. Stel de installatiehoek van de transducer in op 30 graden ~60 graden en stel een simulatiemodel op met intervallen van 5 graden. Verschillende installatiehoeken worden getoond in Figuur 3.2. Om het computergeheugenverbruik en de rekenbelasting te verminderen wanneer ANSYS-software simulatie uitvoert, kan het CFD-model van de ultrasone gasflowmeter tot op zekere hoogte worden vereenvoudigd, waarbij alleen rekening wordt gehouden met de vaststelling van de binnendiameter van de flowmeterbehuizing en het transducermodel, terwijl de rest tijdelijk wordt genegeerd.
Het geometrische model is verdeeld in drie delen: voorste pijpleiding, ultrasone gasstroommeter en achterste pijpleiding. Onder hen gebruiken de voor- en achterpijpleidingen gestructureerd gaas, de middelste ultrasone gasstroommeter gebruikt tetraëdrische gaas en interface-oppervlakteverbinding wordt gebruikt op de verbindingspunten, met maasverfijning op de verbindingsoppervlakken. De rechte uitlaat- en inlaatpijpleidingen nemen gestructureerd gaas aan als hexahedrale maas, met een maximale maaswijdte ingesteld op 2, Afstand1 (maasafstand van de eerste grenslaag) van 1,5, Ratio1 (maasgroeisnelheid van de eerste grenslaag) van 2, Afstand2 (maasafstand van de tweede grenslaag) van 1,5 en Ratio2 (maasgroeisnelheid van de tweede grenslaag) van 2. De maximale maaswijdte van het lichaamsgedeelte van de ultrasone gasstroommeter is 5; lokale verfijning wordt toegepast op de mesh van de transducer met een maximale maaswijdte van 1,5; lokale verfijning wordt toegepast op het interfacenetwerk, waarbij de maaswijdte op 2 blijft.

Afbeelding 3.2 Schematisch diagram van transducers onder verschillende installatiehoeken

Grafiek voor optimalisatieresultaten van transducerhoek

Selectie en configuratie van CFD-simulatiesoftware

ANSYS Vloeiend versus COMSOL:Wat is beter voor ultrasone flowmetersimulatie?
Vergelijking van turbulentiemodellen:k-ε versus k-ω SST versus RSM voor Reynoldsgetal 10⁴-10⁷
Criteria voor meshkwaliteit:y+ < 1, beeldverhouding < 100, scheefheid < 0,85

Figuur 3.3: Modelleringsmodel

Vanwege de grote snelheidsgradiënt nabij het muuroppervlak wordt verfijning van het grenslaaggaas toegepast, met behulp van de wet van exponentiële groei, waarbij de initiële hoogte (initiële hoogte) is ingesteld op 0,1, de hoogteverhouding (verhouding van elke grenslaag) van 1,2, het aantal lagen (aantal grenslagen) van 3 en de totale hoogte (totale hoogte van grenslagen) van 0,7. Het uiteindelijke totale aantal mazen bedraagt ​​ongeveer 1,5 miljoen. Als we de installatiehoek van de DN80 vier-transducer met een hoek van 50 graden als voorbeeld nemen, wordt het resultaat van de maasverdeling weergegeven in Figuur 3.3.

Figuur 3.4: Snelheidscontourkaarten bij inlaatstroomsnelheid van 10 m/s, installatiehoeken van 50 graden en 30 graden

Om de vloeistofverdeling binnen de pijpleiding onder verschillende installatiehoeken beter te begrijpen, waarbij de twee gevallen van installatiehoeken van 30 graden en 50 graden als voorbeeld worden genomen, wanneer de inlaatstroomsnelheid 10 m/s is, worden de snelheidscontourkaarten van paden één en drie weergegeven in Figuur 3.4.

Neem vandaag nog contact op met ons engineeringteam voor een gratis haalbaarheidsbeoordeling van de omstandigheden van uw pijpleiding en meetvereisten.