Estudi de simulació del cabalímetre ultrasònic de pinça externa
L'estudi de simulació de l'exterioragafar-semesurador de cabal ultrasònicimplica modelar i simular el principi de funcionament i el rendiment del mesurador de cabal per optimitzar-ne el disseny, millorar la precisió de la mesura o avaluar el seu rendiment en diferents condicions de funcionament.
Modelatge de simulació numèrica
El modelatge de simulació numèrica s'aplica per establir models matemàtics per al flux de fluids i la propagació d'ones ultrasòniques, incloses les equacions de dinàmica de fluids i les equacions acústiques. Les eines de dinàmica de fluids computacional (CFD) s'utilitzen per modelar el flux de fluids. Aquestes eines poden simular la turbulència, la distribució de la velocitat del flux, etc., i analitzar l'impacte de la propagació d'ones ultrasòniques. A partir de CFD, es realitza una anàlisi acústica per simular la propagació i la reflexió del senyal ultrasònic. Per completar-ho, es pot utilitzar un programari de simulació acústica (com ara el mòdul acústic de COMSOL Multiphysics). L'anàlisi d'elements finits (FEA) de l'estructura del sensor ultrasònic es realitza per comprendre el seu rendiment en diferents condicions. FEA ajuda a analitzar els efectes de l'expansió tèrmica, la vibració, etc., en els resultats de mesura. El contacte entre el sensor i la canonada es considera a la simulació per avaluar el seu efecte sobre la transmissió d'ultrasons.
Verificació i optimització de laboratori
Al laboratori, s'utilitza un banc de proves de flux per mesurar el flux real i els resultats es comparen amb els resultats de la simulació per verificar la precisió del model de simulació. Els paràmetres del model de simulació s'ajusten en funció dels resultats experimentals per millorar la precisió de la predicció. Mitjançant la simulació, la posició del sensor, el disseny de l'aparell i el mètode d'instal·lació s'optimitzen per millorar la precisió i l'estabilitat de la mesura. Seguint pròpiamentSubjeu les directrius d'instal·lació del mesurador de cabal ultrasònicés crucial durant aquest procés d'optimització, ja que una instal·lació incorrecta pot afectar significativament la precisió de les mesures. A la simulació es simulen diferents condicions de falla (com ara bombolles, partícules sòlides) per avaluar el seu impacte en el rendiment del mesurador de cabal. Durant el procés experimental, cal tenir en compte les propietats físiques del fluid (com la temperatura i la pressió), ja que aquestes propietats afecten la velocitat de propagació de les ones ultrasòniques. A més, el soroll i la interferència en l'entorn real poden afectar la qualitat del senyal ultrasònic, que també requereix l'optimització dels algorismes de processament del senyal mitjançant simulacions i experiments.
COMSOL Anàlisi de Simulació Multifísica
Prenent el programari COMSOL Multiphysics 5.6 com a exemple per a la construcció de models i l'anàlisi de simulació, les simulacions poden analitzar l'impacte de diferents angles, materials de canonades, diàmetres de canonades, freqüències ultrasòniques i mètodes d'instal·lació sobre la propagació d'ones ultrasòniques. El diagrama esquemàtic del model de mesura de flux ultrasònic es mostra a la figura 3.6. Per millorar l'eficiència computacional de la solució del model 3D, normalment utilitzem la simetria per simular la meitat del canal per representar tot el model. Durant el procés de construcció del model, s'ha de tenir en compte la influència dels diferents materials de la canonada en l'angle de refracció ultrasònica, així com les diferents distàncies de desplaçament horitzontal dels dos transductors instal·lats sota diferents diàmetres de canonada.
Figura 3.6 Diagrama esquemàtic de la construcció del model de mesura de cabal ultrasònic
Mètodes d'instal·lació del transductor
Per complir els requisits generals per mesurar diferents diàmetres de canonades, s'han d'utilitzar diferents freqüències de treball de transductors ultrasònics i diferents mètodes d'instal·lació de transductors en el mesurament del flux ultrasònic. Elpinça al mesurador de cabal ultrasònic tipusofereix avantatges particulars en aquest sentit, ja que permet una instal·lació no-invasiva sense necessitat de tallar canonades o tancar el procés. Els mètodes d'instal·lació habituals inclouen forma de V-, forma de Z-, forma de N- i forma de W-. Per estudiar l'impacte dels diferents mètodes d'instal·lació de transductors en els senyals de propagació d'ones ultrasòniques, cal dur a terme investigacions relacionades. Aquest article utilitza principalment la simulació de modelització del mètode d'instal·lació de transductors en forma Z-com a exemple per a la demostració.
Mètode Galerkin discontinu i divisió de graella
A COMSOL Multiphysics 5.6, s'utilitza el mòdul d'interfície "Equació de convecció, domini temporal explícit" i, per defecte, forma part de la fórmula amb funcions quàrtiques. Per resoldre problemes d'ona, s'ha demostrat que el mètode de Galerkin Discontinu és un mètode eficient. El mètode de Galerkin Discontinu simplifica el problema de la divisió de la quadrícula en models grans, permetent l'ús de quadrícules tetraèdriques lliures amb una mida de mitja-longitud d'ona i, finalment, resoldre tot el model. A la divisió real de la quadrícula, normalment establim la mida de l'element de la quadrícula en qualsevol valor entre mitja longitud d'ona i dos-terços d'una longitud d'ona per obtenir una resolució espacial adequada. Quan s'utilitza el solucionador explícit del domini temporal-, la mida interna del pas de temps està estrictament controlada pel programari COMSOL, de manera que l'element de quadrícula més petit del model controla el pas de temps. Quan s'estableixen elements de quadrícula tetraèdrics lliures, s'han de controlar les mides màxima i mínima dels elements. A COMSOL Multiphysics 5.6, per a la interfície explícita del domini temporal-"Equació de convecció", el pas de temps intern es selecciona automàticament en funció del nivell de perfeccionament i de les propietats físiques de la quadrícula. La figura 3.7 mostra la divisió de la quadrícula per estudiar la velocitat del flux de fons i l'acústica mitjançant el mètode d'instal·lació en forma Z-.
(a) Velocitat de flux de fons (b) Acústica
Figura 3.7 Divisió de quadrícula per estudiar la velocitat del flux de fons i l'acústica en diferents moments
Configuració del camp físic
Un cop construït el model, cal establir camps físics. El domini líquid a la canonada s'estableix com a camp físic de flux laminar o turbulent per simular el fluid a la canonada durant l'ús real; el domini líquid a la canonada, la canonada i els transductors a banda i banda de la canonada s'estableixen com el camp físic "Equació de convecció, domini temporal explícit" per simular la propagació d'ones ultrasòniques. A la configuració del camp físic "Equació de convecció, domini temporal explícit", els extrems de la canonada es defineixen com a límits d'impedància per truncar el càlcul. En simulacions laminars o turbulentes, l'entrada del fluid es troba a l'esquerra i la sortida del fluid a la dreta. Acorretjamesurador de cabal ultrasònicLa configuració s'estableix amb un transmissor d'ultrasons instal·lat a la part inferior de la canonada i un receptor instal·lat a la part superior. S'aplica una velocitat normal a l'extrem del transmissor per emetre ones ultrasòniques.
Modelització i anàlisi de l'estat de fluids
Quan s'utilitza el programari COMSOL Multiphysics 5.6 per a simulacions de mesura de flux ultrasònic, primer s'ha de modelar i analitzar l'estat del fluid a la canonada. Prenent com a exemple una canonada de PVC amb un diàmetre exterior de 15 mm i un gruix de paret de 0,75 mm, es van realitzar simulacions laminars i turbulentes. Aquestes simulacions són essencials per entendre comcorretja ultrasònica al mesurador de cabalfunciona en diferents condicions de flux. La simulació de flux laminar utilitza el mòdul "Flux laminar" de COMSOL Multiphysics 5.6 per a la configuració del camp físic, i la simulació de flux turbulent utilitza el mòdul "Flux turbulent, k-ω". La figura 3.8 mostra la magnitud de la velocitat del flux de fons en condicions laminars i turbulentes.
A la figura 3.8, es pot veure que en condicions de flux laminar, la velocitat de flux a cada part de la canonada és gairebé uniforme, propera a la velocitat mitjana de flux del fluid de fons. Segons el diagrama, el color més profund al centre de la canonada indica una velocitat de flux més alta.
(a) Flux laminar (b) Flux turbulent
Figura 3.8 Magnitud de la velocitat del flux de fons sota diferents estats de fluids
Anàlisi de la velocitat del flux de fons
Per mostrar més clarament la velocitat de flux a cada part de la canonada, es va seleccionar una secció de la canonada per traçar la corba de velocitat de flux de fons. La figura 3.9 mostra les corbes de velocitat de flux de fons en condicions de flux laminar i turbulent.
Per a la canonada de PVC amb un diàmetre exterior de 15 mm i un gruix de paret de 0,75 mm, es va realitzar una anàlisi de simulació. Els resultats de la simulació utilitzant el mòdul "Laminar Flow" es mostren a la figura 3.9 (a). Es pot veure que en l'estat de flux laminar, la transició de velocitat de flux només es produeix dins d'un rang de 5 mm a la superfície de la canonada, mentre que la velocitat de flux en altres llocs és d'uns 10 m / s, cosa que indica que el fluid experimenta un retard de flux a prop de la paret de la canonada a causa de la fricció de la canonada. En canvi, els resultats de la simulació utilitzant el mòdul "Flux turbulent, k-ω" es mostren a la figura 3.9(b). Es pot veure que sota la condició d'una velocitat de flux mitjana de 10 m/s, la velocitat del flux prop de la paret del tub és d'uns 4,5 m/s, i la velocitat del flux al centre de la canonada pot arribar a aproximadament 12,2 m/s, amb la distribució de la velocitat del flux formant una forma parabòlica.
(a) Flux laminar
(b) Flux turbulent
Figura 3.9 Corbes de velocitat de flux de fons sota diferents estats de fluids
També us poden interessar aquests temes.
