Simuleringsstudie av den eksterne klemme ultralydstrømningsmåleren
Simuleringsstudiet av det eksterneklemme påultrasonisk strømningsmålerinvolverer modellering og simulering av arbeidsprinsippet og ytelsen til strømningsmåleren for å optimere designen, forbedre målenøyaktigheten eller evaluere ytelsen under forskjellige driftsforhold.
Numerisk simuleringsmodellering
Numerisk simuleringsmodellering brukes for å etablere matematiske modeller for væskestrøm og ultralydbølgeforplantning, inkludert væskedynamikkligninger og akustiske ligninger. Computational Fluid Dynamics (CFD)-verktøy brukes til å modellere væskestrømmen. Disse verktøyene kan simulere turbulens, strømningshastighetsfordeling, etc., og analysere virkningen av ultralydbølgeutbredelse. Basert på CFD utføres akustisk analyse for å simulere forplantningen og refleksjonen av ultralydsignalet. Akustisk simuleringsprogramvare (som den akustiske modulen i COMSOL Multiphysics) kan brukes for å fullføre dette. Finite Element Analysis (FEA) av ultralydsensorstrukturen utføres for å forstå ytelsen under forskjellige forhold. FEA hjelper til med å analysere effekten av termisk ekspansjon, vibrasjon osv. på måleresultater. Kontakten mellom sensoren og rørledningen vurderes i simuleringen for å evaluere effekten på ultralydoverføring.
Laboratorieverifisering og optimalisering
I laboratoriet brukes en strømningstestbenk for faktisk strømningsmåling, og resultatene sammenlignes med simuleringsresultatene for å verifisere nøyaktigheten til simuleringsmodellen. Parametre for simuleringsmodellen justeres basert på eksperimentelle resultater for å forbedre prediksjonsnøyaktigheten. Gjennom simulering er sensorens posisjon, armaturdesign og installasjonsmetode optimalisert for å forbedre målenøyaktighet og stabilitet. Følger skikkeligklemme på retningslinjene for installasjon av ultralydstrømningsmålerer avgjørende under denne optimaliseringsprosessen, siden feil installasjon kan påvirke nøyaktigheten av målingene betydelig. Ulike feiltilstander (som bobler, faste partikler) simuleres i simuleringen for å evaluere deres innvirkning på strømningsmålerens ytelse. Under den eksperimentelle prosessen må de fysiske egenskapene til væsken (som temperatur og trykk) vurderes, da disse egenskapene påvirker hastigheten på ultralydbølgeutbredelsen. I tillegg kan støy og interferens i det virkelige miljøet påvirke kvaliteten på ultralydsignalet, som også krever optimalisering av signalbehandlingsalgoritmer gjennom simuleringer og eksperimenter.
COMSOL Multiphysics Simuleringsanalyse
Ved å ta COMSOL Multiphysics 5.6-programvaren som et eksempel for modellkonstruksjon og simuleringsanalyse, kan simuleringer analysere virkningen av forskjellige vinkler, rørledningsmaterialer, rørdiametre, ultralydfrekvenser og installasjonsmetoder på ultralydbølgeutbredelse. Det skjematiske diagrammet over ultralydstrømningsmodellen er vist i figur 3.6. For å forbedre beregningseffektiviteten til 3D-modellløsningen bruker vi vanligvis symmetri for å simulere halvparten av kanalen for å representere hele modellen. Under modellkonstruksjonsprosessen bør påvirkningen av forskjellige rørledningsmaterialer på ultralydbrytningsvinkelen vurderes, så vel som de forskjellige horisontale forskyvningsavstandene for de to transduserne installert under forskjellige rørdiametre.
Figur 3.6 Skjematisk diagram av modellkonstruksjon for ultrasonisk strømningsmåling
Transduser installasjonsmetoder
For å oppfylle de generelle kravene for måling av forskjellige rørdiametre, bør forskjellige arbeidsfrekvenser for ultralydtransdusere og forskjellige transduserinstallasjonsmetoder brukes ved ultralydstrømmåling. Deklemme på type ultralydstrømningsmålergir spesielle fordeler i denne forbindelse, ettersom den tillater ikke-invasiv installasjon uten å kreve rørkutting eller prosessavslutning. Vanlige installasjonsmetoder inkluderer V--form, Z--form, N--form og W--form. For å studere virkningen av forskjellige transduserinstallasjonsmetoder på ultralydbølgeutbredelsessignaler, er det nødvendig å utføre relatert forskning. Denne artikkelen bruker hovedsakelig Z--formsvingerinstallasjonsmetodemodelleringssimulering som et eksempel for demonstrasjon.
Discontinuous Galerkin Method and Grid Division
I COMSOL Multiphysics 5.6 brukes grensesnittmodulen "Convection Equation, Time Domain Explicit", og som standard utgjør den en del av formelen med kvartsfunksjoner. For å løse bølgeproblemer har Discontinuous Galerkin-metoden vist seg å være en effektiv metode. Den diskontinuerlige Galerkin-metoden forenkler griddelingsproblemet i store modeller, og tillater bruk av frie tetraedriske rutenett med halv-bølgelengdestørrelse, og til slutt løser hele modellen. I den faktiske rutenettinndelingen setter vi vanligvis rutenettelementstørrelsen til en hvilken som helst verdi mellom en halv bølgelengde og to-tredjedeler av en bølgelengde for å oppnå passende romlig oppløsning. Når du bruker den eksplisitte tids-domeneløseren, er den interne tidstrinnstørrelsen strengt kontrollert av COMSOL-programvaren, så det minste rutenettelementet i modellen styrer tidstrinnet. Når du setter frie tetraedriske rutenettelementer, må maksimum og minimum elementstørrelser kontrolleres. I COMSOL Multiphysics 5.6, for «Konveksjonsligning»-tid-domeneets eksplisitte grensesnitt, velges det interne tidstrinnet automatisk basert på rutenettets avgrensningsnivå og fysiske egenskaper. Figur 3.7 viser rutenettinndelingen for å studere bakgrunnsstrømningshastighet og akustikk ved bruk av installasjonsmetoden Z-form.
(a) Bakgrunnsstrømningshastighet (b) Akustikk
Figur 3.7 Rutenettinndeling for å studere bakgrunnsstrømningshastighet og akustikk til forskjellige tider
Fysisk feltkonfigurasjon
Etter at modellen er konstruert, må fysiske felt settes. Væskedomenet i rørledningen er satt som laminært eller turbulent strømnings fysisk felt for å simulere væsken i rørledningen under faktisk bruk; væskedomenet i rørledningen, rørledningen og transduserne på begge sider av rørledningen er satt som det fysiske feltet "Konveksjonsligning, tidsdomene eksplisitt" for å simulere forplantningen av ultralydbølger. I det fysiske feltoppsettet "Konveksjonsligning, tidsdomene eksplisitt" er endene av rørledningen definert som impedansgrenser for å avkorte beregningen. I laminære eller turbulente simuleringer er væskeinntaket til venstre, og væskeutløpet er til høyre. ENstropp påultrasonisk strømningsmålerkonfigurasjonen etableres med en ultralydsender installert på undersiden av rørledningen, og en mottaker installert på oversiden. En normal hastighet påføres ved senderenden for å sende ut ultralydbølger.
Væsketilstandsmodellering og analyse
Når du bruker COMSOL Multiphysics 5.6-programvare for simuleringer av ultrasoniske strømningsmålinger, må væsketilstanden i rørledningen modelleres og analyseres først. Ved å ta et PVC-rør med en ytre diameter på 15 mm og en veggtykkelse på 0,75 mm som eksempel, ble det utført laminære og turbulente simuleringer. Disse simuleringene er avgjørende for å forstå hvordanultralydstropp på strømningsmålerfungerer under forskjellige strømningsforhold. Laminær strømningssimulering bruker "Laminar Flow"-modulen i COMSOL Multiphysics 5.6 for fysisk feltoppsett, og turbulent strømningssimulering bruker "Turbulent Flow, k-ω"-modulen. Figur 3.8 viser størrelsen på bakgrunnsstrømningshastigheten under laminære og turbulente forhold.
Fra figur 3.8 kan man se at under laminære strømningsforhold er strømningshastigheten i hver del av rørledningen tilnærmet jevn, nær den gjennomsnittlige strømningshastigheten til bakgrunnsvæsken. I følge diagrammet indikerer den dypere fargen i midten av rørledningen høyere strømningshastighet.
(a) Laminær strømning (b) Turbulent strømning
Figur 3.8 Størrelsen på bakgrunnsstrømningshastigheten under forskjellige væsketilstander
Bakgrunnsstrømningshastighetsanalyse
For å tydeligere vise strømningshastigheten i hver del av rørledningen, ble en del av rørledningen valgt for å plotte bakgrunnsstrømningshastighetskurven. Figur 3.9 viser bakgrunnsstrømningshastighetskurvene under laminære og turbulente strømningsforhold.
For PVC-røret med en ytre diameter på 15 mm og en veggtykkelse på 0,75 mm ble det utført simuleringsanalyse. Simuleringsresultatene ved bruk av "Laminar Flow"-modulen er vist i figur 3.9(a). Det kan sees at i laminær strømningstilstand skjer strømningshastighetsovergang kun innenfor et 5 mm område på røroverflaten, mens strømningshastigheten på andre steder er ca. 10 m/s, noe som indikerer at væske opplever strømningsforsinkelse nær rørveggen på grunn av rørfriksjon. I motsetning til dette er simuleringsresultatene ved bruk av "Turbulent Flow, k-ω"-modulen vist i figur 3.9(b). Det kan sees at under betingelsen med en gjennomsnittlig strømningshastighet på 10 m/s, er strømningshastigheten nær rørveggen ca. 4,5 m/s, og strømningshastigheten i midten av rørledningen kan nå ca. 12,2 m/s, med strømningshastighetsfordelingen danner en parabolsk form.
(a) Laminær strømning
(b) Turbulent strømning
Figur 3.9 Bakgrunnsstrømningshastighetskurver under forskjellige væsketilstander
