- LiuXingas, vyresnysis srauto matavimo inžinierius, turintis 15+ metų ultragarsinio srauto matuoklio tyrimų ir plėtros patirties,

sertifikuota CFD analizėje (ANSYS Fluent Professional)

Ultragarsinio srauto matuoklio vamzdyno konstrukcijos modeliavimo inžinerinė vertė

Kodėl reikalinga modeliavimo technologija?

Praktinėje inžinerijoje įterpimo atlikimasultragarsiniai srauto matuokliaididelę įtaką turi dujotiekio sąlygos. Tradiciniai metodai grindžiami pakartotiniu-svetainės derinimu, kuris yra ne tik brangus, bet ir gali atskleisti dizaino defektus tik pradėjus eksploatuoti. Modeliavimo technologijos įdiegimas pakeitė šią situaciją, todėl inžinieriai gali nustatyti ir išspręsti galimas problemas projektavimo etape.

Pagrindinė jo vertė yra: „bandomųjų{0}}ir-klaidų mokesčių“ perkėlimas iš lauko į kompiuterius, brangių fizinių eksperimentų pakeitimas skaitiniais skaičiavimais.

Šešios pagrindinės inžinerinės problemos, išspręstos modeliuojant

Kaip nustatyti zondo padėtį

Srauto greitis vamzdynuose nėra tolygiai paskirstytas. Alkūnės ir vožtuvai sukuria vietinius sūkurius, o įrengus zondus šiose srityse, rodmenys bus iškraipyti. Inžinieriai naudoja skysčių mechanikos skaičiavimus, kad vizualizuotų greičio vektorius kiekviename dujotiekio taške, taip parenkant santykinai stabilius srauto lauko skerspjūvius jutiklio įrengimui, o tai būtina norint tiksliai nustatyti srauto profilio korekcijos koeficientą (FPCF).

Praktika rodo: nedideli zondo pasvirimo kampo skirtumai (5 laipsnių lygyje) pakeis srauto būseną matavimo srityje. Sistemingai tikrinti kelių kampų konfigūracijas, kad būtų galima rasti sprendimą su minimalia paklaida, atliekant fizinius eksperimentus beveik nepraktiška, tačiau skaičiavimo analizė gali būti baigta per kelias dienas, atsižvelgiant į keitiklio išsikišimo ir įdubos poveikį.

Kur yra tikslumo kliūtis

Ultragarsinis matavimas remiasi „laiko skirtumo“ principu, o skysčio parametrų (temperatūros, slėgio, sudėties) pokyčiai turi įtakos garso greičiui. Paprastomis empirinėmis formulėmis sunku aprėpti visas eksploatavimo sąlygas, ypač kai tenkinami globos perdavimo tikslumo reikalavimai.

Modeliavimas nustato atvaizdavimo ryšį tarp įvesties parametrų ir matavimo nuokrypio, naudojant Reinoldso skaičiaus priklausomybės analizę. Pavyzdžiui, kai skysčio temperatūra svyruoja ±10 laipsnių, kiek pasikeičia garso greitis? Kaip šis pakeitimas virsta srauto klaida? Turint šiuos kiekybinius duomenis, galima sukurti efektyvius temperatūros kompensavimo algoritmus.

Kaip elgtis su sudėtingomis srauto būsenomis

Laminarinio srauto modelis vadovėliuose retai pasirodo tikruose vamzdynuose. Turbulencija, antrinis srautas ir net dviejų{1}}skysčių-fazių srautas lemia, kad greičio profiliai smarkiai nukrypsta nuo idealių būsenų. Kompiuterinė skysčių dinamika (CFD) gali atkurti šiuos sudėtingus reiškinius. Inžineriniai atvejai rodo: 15 vamzdžių skersmenų pasroviui nuo tam tikro 90 laipsnių posūkio vis dar yra didelis greičio pasvirimas. To nesuprantant srautas, apskaičiuotas pagal standartines srauto lauko prielaidas, gali nukrypti keliais procentiniais punktais, ypač turint įtakos daugiatakiui ultragarsui.srauto matuoklisintegravimo tikslumas.

Akustinių bangų sklidimo kelio optimizavimas

Ultragarso bangos skliddamos susiduria su trukdžiais, pvz., vamzdžio sienelių atspindžiais, suvirinimo siūlių sklaida ir vidutiniu netolygumu. Bendras šių veiksnių poveikis gali susilpninti signalo stiprumą arba sukelti triukšmą.

Akustinis modeliavimas naudojant akustinių spindulių sekimo modeliavimo metodus atskleidžia tikrąją spindulių trajektoriją vamzdynų viduje. Kai kurios geometrinės konfigūracijos sukuria „akustines šešėlių zonas“, todėl gaunami signalai itin silpni; kitos konfigūracijos, nors ir turi stiprius signalus, turi daugiatakį efektą, sukeliantį bangos formos iškraipymą. Atlikdami lyginamąją analizę, inžinieriai gali pasirinkti išdėstymo schemą su optimaliu signalo -ir -triukšmo santykiu.

Veikimo užtikrinimas esant įrengimo apribojimams

Standartinės specifikacijos paprastai reikalauja 20 vamzdžių skersmenų prieš srovę tiesioje vamzdžio dalyje, tačiau lauko sąlygos dažnai negali atitikti šio reikalavimo. Dujotiekio modifikavimo išlaidos gali siekti šimtus tūkstančių dolerių.

Modeliavimas pateikia „nestandartinio diegimo{0}} galimybių įvertinimą“. Apskaičiuojant srauto lauko atkūrimo laipsnį esant skirtingiems tiesių vamzdžių atkarpų ilgiams, kartu su kelių-kelio konfigūracijos kompensavimutechnologijanaudojant Gauss{0}}Jacobi integravimo metodą, kvalifikuotą tikslumą galima pasiekti tik 6–8 vamzdžių skersmens erdvėse. Tam reikia pritaikytos analizės konkretiems projektams, o ne tiesiog taikyti specifikacijas, tuo pačiu užtikrinant ISO 17089 atitikties patvirtinimą.

Taikymas specialioms laikmenoms

Eksploatavimo sąlygos, pvz., didelio -klampumo skysčiai, srutos, kuriose yra kietųjų dalelių, ir aukštos-temperatūros aukšto slėgio{2}} dujos, turi srauto charakteristikas, kurios labai skiriasi nuo įprastų skysčių. Dėl bėrimų įrengimo gali sugesti įranga arba sugesti matavimas.

Modeliavimas leidžia išbandyti ekstremalias sąlygas virtualioje aplinkoje. Pavyzdžiui, apskaičiuojant, ar didelio-greičio dujų srauto smūgio jėga į zondą sukels struktūrinį rezonansą, numatant sūkurio išsiskyrimo dažnį; arba analizuoti, ar dalelių smūgio dažnis pagreitins jutiklio susidėvėjimą. Ši informacija nurodo medžiagų pasirinkimą ir konstrukcijos sutvirtinimo projektavimą.

Techninio pritaikymo ribos

Modeliavimas nėra visagalis. Jo tikslumas priklauso nuo:

• Ar matematinis modelis apima realius fizikinius procesus
• Ar ribinių sąlygų nustatymai atitinka faktines situacijas
• Ar pakanka skaičiavimo išteklių patobulintam sprendimui

Visiškai naujiems srauto reiškiniams ar ekstremalioms eksploatavimo sąlygoms modeliavimo rezultatams reikia patvirtinti eksperimentinius duomenis. Nepaisant to, modeliavimas vis tiek gali labai susiaurinti eksperimento apimtį, sutelkti dėmesį į pagrindinius parametrus ir žymiai pagerinti tyrimų ir plėtros efektyvumą.

3.1 pav.: Įterpimo{1}}tipo ultragarsinis srauto matuoklis

3.1 paveiksle parodytas dažniausiai naudojamas įterpiamasis -tipo ultragarsinis srauto matuoklis. Jo veikimo principas yra sumontuoti porą ultragarsinių jutiklių abiejose dujotiekio pusėse ir pasiekti tikslų srauto matavimą, nustatant ir apskaičiuojant skirtumą tarp ultragarso impulsų greičių sraute pasroviui ir prieš srovę. Matavimo proceso metu jutikliai pakaitomis perduoda ir priima ultragarsinius signalus priešingomis kryptimis. Ultragarso signalai pasroviui sklinda greičiau nei prieš srovę; kai skystis stovi, laiko skirtumas lygus nuliui. Todėl išmatavus ultragarso bangų sklidimo laiką pasroviui ir prieš srovę, galima gauti laiko skirtumą t. Pagal ryšį tarp t ir srauto greičio V, vidutinį skysčio srauto greitį galima išmatuoti netiesiogiai, o tūrinį srautą Q galima apskaičiuoti pagal dujotiekio skerspjūvio plotą.

Skysčio kanalo konstrukcijoje turėtų būti atsižvelgiama į skysčio srauto greitį ir srauto diapazoną, kur dujotiekio projekte reikia daugiau dėmesio skirti skysčio srauto greičio diapazonui, kad būtų užtikrintas srauto matavimo tikslumas. Per didelis arba mažas skysčio srauto greitis galiausiai paveiks ultragarso signalų sklidimo charakteristikas.

Dujotiekio matmenys, ty vidinis vamzdyno skersmuo, turi atitikti išmatuoto vamzdyno vidinį skersmenį, kad būtų sumažintas skysčio srauto trikdymas ir taip išvengta įtakos galutiniams matavimo rezultatams. Dujotiekio konstrukcijos atraminė konstrukcija turi pasirinkti korozijai -atsparias ir nusidėvėjimui- atsparias medžiagas, kad pailgintų tarnavimo laiką; tuo pačiu metu reikalinga pagrįsta konstrukcija, kad būtų užtikrintas jo stabilumas esant dideliam srauto greičiui arba aukštam slėgiui. Ultragarsinis keitiklis turi pasirinkti tinkamą ultragarso keitiklio tipą (pvz., Valdomosios bangos tipą arba atspindžio tipą) pagal taikymo reikalavimus, tada pasirinkti tinkamą vietą ultragarsiniam keitikliui sumontuoti, kad būtų užtikrinta, jog ultragarso signalas galėtų veiksmingai praeiti per visą dujotiekį.
Be pirmiau minėtų veiksnių, Tang Xiaoyu[103] ir kitų Džedziango universiteto mokslininkų atlikti tyrimai taip pat apima: esant 90 laipsnių posūkiui ir 180 laipsnių posūkiui, ne-idealaus srauto greičio pasiskirstymo įtaką kiekvienam ultragarsinio srauto matuoklio akustiniam keliui, ypač poveikį srauto greičio matavimui ir srauto greičio matavimui. Zhang Zhijun ir Zhu Yingsheng[102] ir kiti mokslininkai, remdamiesi ankstesniais tyrimais, naudojo CFD modeliavimo technologiją, kad atliktų modeliavimo analizę 7 kampais (5 laipsnių intervalais) nuo 30 laipsnių iki 60 laipsnių ultragarso keitiklio montavimo kampams. Rezultatai rodo, kad: skirtingi montavimo kampai turi įtakos srauto greičio pasiskirstymui akustinio kelio griovelio dalyje. Tuo pačiu metu buvo išanalizuota santykinė paklaida tarp modeliuojamo srauto greičio ir idealaus srauto greičio ir nustatyta, kad suprojektuotam DN80 skersmens ultragarsiniam dujų srauto matuokliui optimalus keitiklio įrengimo kampas yra 50 laipsnių.

Insertion{0}}tipo ultragarsinio srauto matavimo vamzdyno modeliavimo tyrimas

Modeliavimo tyrime atsižvelgiama į tris aspektus:

Skysčių dinamikos modeliavimas, ultragarso sklidimo modeliavimas ir konstrukcinės mechanikos modeliavimas. Naudojant CFD (Computational Fluid Dynamics) modelius, galima imituoti skysčio srautą dujotiekio viduje, o tada analizuoti tokių veiksnių, kaip srauto greičio pasiskirstymas ir sūkurio srautas, poveikį ultragarso signalo sklidimui. Modeliavimo proceso metu reikia patikrinti galimus sūkurius, burbuliukus ir tt skystyje, kad būtų išvengta ultragarsinio matavimo trukdžių.
Pavyzdžiui, skirtingų keitiklių įrengimo kampų įtaka srauto greičio pasiskirstymui, jei bendras dujotiekio debitmačio korpuso ilgis yra L=230 mm, o skersmuo D=80 mm. Nustatykite keitiklio montavimo kampą į 30 laipsnių ~ 60 laipsnių ir sukurkite modeliavimo modelį 5 laipsnių intervalais. Skirtingi montavimo kampai parodyti 3.2 pav. Siekiant sumažinti kompiuterio atminties suvartojimą ir skaičiavimo apkrovą, kai ANSYS programinė įranga atlieka modeliavimą, dujų ultragarsinio srauto matuoklio CFD modelis gali būti šiek tiek supaprastintas, tik atsižvelgiant į debitmačio korpuso vidinio skersmens ir keitiklio modelio nustatymą, o likusius laikinai ignoruoti.
Geometrinis modelis yra padalintas į tris dalis: priekinį vamzdyną, ultragarsinį dujų srauto matuoklį ir galinį vamzdyną. Tarp jų priekinis ir galinis vamzdynai naudoja struktūrinį tinklelį, vidurinis ultragarsinis dujų srauto matuoklis naudoja tetraedrinį tinklelį, o sujungimo taškuose naudojamas sąsajos paviršiaus jungtis, o jungiamųjų paviršių tinklelis patobulintas. Tiesiuose išleidimo ir įleidimo vamzdynuose naudojamas šešiakampio tinklelio struktūrinis tinklelis, kurio didžiausias tinklelio dydis nustatytas į 2, Atstumas1 (pirmojo ribinio sluoksnio tinklelio atstumas) yra 1,5, santykis1 (pirmojo ribinio sluoksnio tinklelio augimo greitis) yra 2, Spacing2 (antrasis ribinio sluoksnio tinklelio tarpas12,5se) akių augimo greitis) iš 2. Didžiausias dujų ultragarsinio srauto matuoklio korpuso sekcijos akių dydis yra 5; keitiklio tinkleliui taikomas vietinis patobulinimas, kurio maksimalus tinklelio dydis yra 1,5; Vietinis patobulinimas taikomas sąsajos tinkleliui, išlaikant tinklelio dydį 2.

3.2 pav. Scheminė keitiklių schema skirtingais montavimo kampais

Keitiklio kampo optimizavimo rezultatų diagrama

CFD modeliavimo programinės įrangos pasirinkimas ir sąranka

ANSYS Fluent vs COMSOL:Kuris yra geresnis ultragarsinio srauto matuoklio modeliavimui?
Turbulencijos modelio palyginimas:k-ε vs k-ω SST ir RSM Reynoldso skaičiui 10⁴–10⁷
Tinklelio kokybės kriterijai:y+ < 1, kraštinių santykis < 100, kreivumas < 0,85

3.3 pav. Modeliavimo modelis

Dėl didelio greičio gradiento šalia sienos paviršiaus, ribinio sluoksnio tinklelio patobulinimas taikomas taikant eksponentinį augimo dėsnį, kai pradinis aukštis (pradinis aukštis) nustatytas į 0,1, aukščio santykis (kiekvieno ribinio sluoksnio santykis) yra 1,2, sluoksnių skaičius (ribinių sluoksnių skaičius) yra 3 ir bendras aukštis 0,7 (ribinis sluoksnio aukštis). Galutinis bendras akių skaičius yra apytiksliai 1,5 mln. Kaip pavyzdį DN80 keturių-takų keitiklio įrengimo kampas 50 laipsnių, tinklelio padalijimo rezultatas parodytas 3.3 pav.

3.4 pav. Greičio kontūro žemėlapiai esant įleidimo srauto greičiui 10 m/s, montavimo kampai 50 laipsnių ir 30 laipsnių

Norint geriau suprasti skysčių pasiskirstymą dujotiekio viduje skirtingais montavimo kampais, kaip pavyzdį imant du montavimo kampų atvejus – 30 laipsnių ir 50 laipsnių, kai įvado srauto greitis yra 10 m/s, pirmojo ir trečiojo takų greičio kontūrų žemėlapiai pateikti 3.4 pav.

Susisiekite su mūsų inžinierių komanda šiandien, kad gautumėte nemokamą dujotiekio sąlygų ir matavimo reikalavimų pagrįstumo įvertinimą.