- Per LiuXing, enginyer sènior de mesura de cabal amb 15+ anys d'experiència en R+D de mesuradors de cabal ultrasònics,

certificat en anàlisi CFD (ANSYS Fluent Professional)

Valor d'enginyeria de la inserció Simulació de l'estructura de la canonada del mesurador de cabal ultrasònic

Per què es necessita tecnologia de simulació?

En enginyeria pràctica, el rendiment d'inserciómesuradors de cabal ultrasònicestà significativament afectat per les condicions del gasoducte. Els mètodes tradicionals es basen en la depuració repetida-del lloc, que no només és costosa, sinó que també pot revelar defectes de disseny només després de la posada en marxa. La introducció de la tecnologia de simulació ha canviat aquesta situació, permetent als enginyers identificar i resoldre problemes potencials en l'etapa de disseny.

El seu valor fonamental rau en: transferir "costos de prova-i-error" del camp als ordinadors, substituint els costosos experiments físics per càlculs numèrics.

Sis grans problemes d'enginyeria resolts per simulació

Com determinar la posició de la sonda

La velocitat del flux a les canonades no es distribueix uniformement. Els colzes i les vàlvules creen vòrtexs locals i la instal·lació de sondes en aquestes zones provocarà lectures distorsionades. Els enginyers utilitzen càlculs de mecànica de fluids per visualitzar vectors de velocitat a cada punt de la canonada, seleccionant així seccions transversals de camp de flux relativament estables-per a la instal·lació del sensor, que és essencial per a la determinació precisa del factor de correcció del perfil de flux (FPCF).

La pràctica demostra: les diferències menors en l'angle d'inclinació de la sonda (al nivell de 5 graus) canviaran l'estat del flux a l'àrea de mesura. La prova sistemàtica de múltiples configuracions d'angle per trobar la solució amb un error mínim és gairebé poc pràctic en experiments físics, però l'anàlisi computacional es pot completar en pocs dies mentre es tenen en compte els efectes de protuberància i rebaix del transductor.

On és el coll d'ampolla de precisió

La mesura d'ultrasons es basa en el principi de "diferència de temps" i els canvis en els paràmetres del fluid (temperatura, pressió, composició) afecten la velocitat del so. Les fórmules empíriques senzilles són difícils de cobrir totes les condicions operatives, especialment quan es compleixen els requisits de precisió de la transferència de custòdia.

La simulació estableix la relació de mapeig entre els paràmetres d'entrada i la desviació de mesura mitjançant l'anàlisi de dependència del nombre de Reynolds. Per exemple, quan la temperatura del fluid fluctua ± 10 graus, quant canvia la velocitat del so? Com es tradueix aquest canvi en un error de flux? Amb aquestes dades quantitatives, es poden dissenyar algorismes efectius de compensació de temperatura.

Com gestionar els estats de flux complexos

El model de flux laminar als llibres de text rarament apareix a les canonades reals. La turbulència, el flux secundari i fins i tot el flux de gas-líquid en dues fases- fan que els perfils de velocitat es desviïn molt dels estats ideals. La dinàmica de fluids computacional (CFD) pot reproduir aquests fenòmens complexos. Els casos d'enginyeria mostren: encara hi ha una asimetria significativa de la velocitat a 15 diàmetres de canonada aigües avall d'un cert revolt de 90 graus. Sense entendre-ho, el flux calculat segons les hipòtesis estàndard del camp de flux pot desviar-se en diversos punts percentuals, afectant especialment els ultrasons multicamí.mesurador de cabalprecisió d'integració.

Optimització del camí de propagació d'ones acústiques

Les ones ultrasòniques troben interferències, com ara reflexos de la paret de canonades, dispersió de soldadura i falta d'{0}}uniformitat mitjana durant la propagació. L'efecte acumulat d'aquests factors pot debilitar la força del senyal o introduir soroll.

La simulació acústica utilitzant tècniques de simulació de traçat de raigs acústics revela la trajectòria real dels feixos dins de les canonades. Algunes configuracions geomètriques produeixen "zones d'ombra acústica", donant lloc a senyals rebuts extremadament febles; altres configuracions, tot i que tenen senyals forts, tenen efectes de camins múltiples que provoquen distorsió de la forma d'ona. Mitjançant l'anàlisi comparativa, els enginyers poden seleccionar l'esquema de disposició amb una relació senyal-a-òptima.

Garantia de rendiment sota restriccions d'instal·lació

Les especificacions estàndard solen requerir 20 diàmetres de canonada de secció de canonada recta aigües amunt, però les condicions del camp sovint no poden complir aquest requisit. Els costos de modificació del gasoducte poden arribar a centenars de milers de dòlars.

La simulació proporciona una avaluació de la viabilitat de la "instal·lació no-estàndard". En calcular el grau de recuperació del camp de flux en diferents longituds de secció recta de canonada, combinat amb la compensació de configuració de múltiples-camístecnologiamitjançant el mètode d'integració de Gauss-Jacobi, es pot aconseguir una precisió qualificada en espais amb només 6-8 diàmetres de canonada. Això requereix una anàlisi personalitzada per a projectes específics, en lloc de simplement aplicar especificacions, alhora que garanteix la validació del compliment de la norma ISO 17089.

Aplicabilitat a mitjans especials

Les condicions de funcionament, com ara líquids d'alta-viscositat, purins que contenen partícules sòlides i gasos d'alta-temperatura i alta-pressió, tenen característiques de flux que difereixen significativament dels fluids convencionals. La instal·lació d'erupció pot provocar danys a l'equip o fallades de mesura.

La simulació permet provar condicions extremes en entorns virtuals. Per exemple, calcular si la força d'impacte del flux de gas d'alta-velocitat a la sonda provocarà ressonància estructural a través de la predicció de la freqüència de despreniment de vòrtex; o analitzar si la freqüència d'impacte de partícules accelerarà el desgast del sensor. Aquesta informació guia la selecció de materials i el disseny de reforç estructural.

Límits de l'aplicació tècnica

La simulació no és omnipotent. La seva precisió depèn de:

• Si el model matemàtic cobreix processos físics reals
• Si la configuració de les condicions de límit s'ajusta a les situacions reals
• Si els recursos computacionals són suficients per a una solució refinada

Per a fenòmens de flux completament nous o condicions de funcionament extremes, els resultats de la simulació necessiten validació de dades experimentals. No obstant això, la simulació encara pot reduir molt l'àmbit experimental, centrar-se en paràmetres clau i millorar significativament l'eficiència de la investigació i el desenvolupament.

Figura 3.1: Caudalímetre ultrasònic tipus-inserció

La figura 3.1 mostra un cabalímetre ultrasònic de tipus d'inserció-d'ús habitual. El seu principi de funcionament és instal·lar un parell de sensors ultrasònics a banda i banda de la canonada i aconseguir una mesura precisa del flux detectant i calculant la diferència entre les velocitats dels pols ultrasònics en el flux aigües avall i aigües amunt. Durant el procés de mesura, els sensors transmeten i reben alternativament senyals ultrasònics en direccions oposades. Els senyals ultrasònics es propaguen més ràpidament en el flux aigües avall que en el flux amunt; quan el fluid està estacionari, la diferència de temps és zero. Per tant, mesurant el temps de propagació de les ones ultrasòniques en el flux aigües avall i aigües amunt, es pot obtenir la diferència de temps t. Segons la relació entre t i la velocitat del flux V, la velocitat mitjana del flux del fluid es pot mesurar indirectament i el cabal volumètric Q es pot calcular en funció de l'àrea de la secció transversal de la canonada.

El disseny del canal de fluid ha de tenir en compte la velocitat del flux del fluid i el rang de flux, on el disseny de la canonada s'ha de centrar més en el rang de velocitat del flux del fluid per garantir la precisió de la mesura del flux. Una velocitat de flux de fluid excessivament alta o baixa afectarà finalment les característiques de propagació dels senyals ultrasònics.

Les dimensions de la canonada, és a dir, el diàmetre interior de la canonada, han de coincidir amb el diàmetre interior de la canonada mesurada per reduir les pertorbacions al flux de fluids i així evitar afectar els resultats finals de la mesura. L'estructura de suport de l'estructura de la canonada ha de seleccionar materials resistents a la corrosió-i al desgast- per allargar la vida útil; al mateix temps, es necessita un disseny raonable per garantir la seva estabilitat a alta velocitat de flux o alta pressió. El transductor d'ultrasons ha de seleccionar un tipus de transductor d'ultrasons adequat (com el tipus d'ona guiada o el tipus de reflexió) segons els requisits de l'aplicació i, a continuació, seleccionar una posició adequada per instal·lar el transductor d'ultrasons per assegurar-se que el senyal ultrasònic pot passar eficaçment per tota la canonada.
A més dels factors anteriors, la investigació realitzada per Tang Xiaoyu[103] i altres estudiosos de la Universitat de Zhejiang també inclou: en condicions de flexió de 90 graus i 180 graus, la influència de la distribució no ideal de la velocitat del flux a cada camí acústic del mesurador de cabal ultrasònic, especialment l'impacte en la mesura de la velocitat del flux i la precisió del cabalímetre. Zhang Zhijun i Zhu Yingsheng[102] i altres estudiosos, basant-se en investigacions anteriors, van utilitzar la tecnologia de simulació CFD per realitzar anàlisis de simulació en 7 angles (a intervals de 5 graus) entre 30 graus i 60 graus per als angles d'instal·lació de transductors ultrasònics. Els resultats mostren que: diferents angles d'instal·lació afecten la distribució de la velocitat del flux a la part de la ranura del camí acústic. Al mateix temps, es va analitzar l'error relatiu entre la velocitat de flux simulada i la velocitat de flux ideal i es va determinar que l'angle òptim d'instal·lació del transductor per al mesurador de flux ultrasònic de gas de diàmetre DN80 dissenyat és de 50 graus.

Investigació de simulació de canonades de mesura de flux ultrasònic de tipus-inserció

La investigació de simulació té en compte tres aspectes:

Simulació de dinàmica de fluids, simulació de propagació ultrasònica i simulació de mecànica estructural. Mitjançant models CFD (Computational Fluid Dynamics), es pot simular el flux de fluids dins de la canonada i, a continuació, es poden analitzar els efectes de factors com la distribució de la velocitat del flux i el flux de vòrtex sobre la propagació del senyal ultrasònic. Durant el procés de simulació, s'han de comprovar els possibles vòrtexs, bombolles, etc. al fluid per evitar al màxim la interferència amb la mesura ultrasònica.
Prenent com a exemple la influència dels diferents angles d'instal·lació del transductor en la distribució de la velocitat del flux, si la longitud total del cos del mesurador de cabal de la canonada és L=230 mm i el diàmetre és D=80 mm. Estableix l'angle d'instal·lació del transductor a 30 graus ~ 60 graus i estableix un model de simulació a intervals de 5 graus. A la figura 3.2 es mostren diferents angles d'instal·lació. Per reduir el consum de memòria de l'ordinador i la càrrega computacional quan el programari ANSYS realitza la simulació, el model CFD del mesurador de cabal ultrasònic de gas es pot simplificar fins a cert punt, només tenint en compte l'establiment del diàmetre interior de la carcassa del mesurador de cabal i el model del transductor, i la resta s'ignora temporalment.
El model geomètric es divideix en tres parts: canonada frontal, cabalímetre ultrasònic de gas i canonada posterior. Entre ells, les canonades frontals i posteriors adopten una malla estructurada, el mesurador de cabal ultrasònic de gas mitjà adopta una malla tetraèdrica i s'utilitza la connexió de superfície d'interfície als punts de connexió, amb un refinament de malla a les superfícies de connexió. Les canonades rectes de sortida i entrada adopten una malla estructurada com a malla hexaèdrica, amb una mida màxima de malla establerta en 2, Spacing1 (espaiat de la malla de la primera capa límit) d'1,5, Ratio1 (taxa de creixement de la malla de la primera capa límit) de 2, Spacing2 (espaiat de la malla de la segona capa límit) d'1,5 (segona taxa de creixement de la malla de la capa límit) i ràtio de creixement de la malla de la segona capa límit d'1,2. La mida màxima de malla de la secció del cos del mesurador de cabal ultrasònic de gas és de 5; s'aplica un refinament local a la malla del transductor amb una mida màxima de malla d'1,5; El refinament local s'aplica a la malla de la interfície, mantenint la mida de la malla a 2.

Figura 3.2 Diagrama esquemàtic de transductors a diferents angles d'instal·lació

Gràfic de resultats de l'optimització de l'angle del transductor

Selecció i configuració del programari de simulació CFD

ANSYS Fluent vs COMSOL:Què és millor per a la simulació del cabalímetre ultrasònic?
Comparació de models de turbulència:k-ε vs k-ω SST vs RSM per Reynolds número 10⁴-10⁷
Criteris de qualitat de la malla:y+ < 1, relació d'aspecte < 100, asimetria < 0,85

Figura 3.3: Model de model

A causa del gran gradient de velocitat a prop de la superfície de la paret, s'adopta el refinament de la malla de la capa límit, utilitzant la llei de creixement exponencial, amb l'alçada inicial (alçada inicial) establerta a 0,1, la relació d'alçada (proporció de cada capa límit) d'1,2, el nombre de capes (nombre de capes límit) de 3 i l'alçada total de la capa límit 0. El recompte total final de malla és d'aproximadament 1,5 milions. Prenent com a exemple l'angle d'instal·lació del transductor de quatre-caminos DN80 de 50 graus, el resultat de la divisió de malla es mostra a la figura 3.3.

Figura 3.4: Mapes de contorn de velocitat a l'entrada Velocitat de flux de 10 m/s, angles d'instal·lació de 50 graus i 30 graus

Per entendre millor la distribució del fluid a l'interior de la canonada a diferents angles d'instal·lació, prenent com a exemple els dos casos d'angles d'instal·lació de 30 graus i 50 graus, quan la velocitat del flux d'entrada és de 10 m/s, els mapes de contorn de velocitat dels camins un i tres es mostren a la figura 3.4.

Poseu-vos en contacte amb el nostre equip d'enginyeria avui per obtenir una avaluació de viabilitat gratuïta de les condicions de la vostra canonada i els requisits de mesura.