Μελέτη προσομοίωσης του μετρητή ροής υπερήχων εξωτερικού σφιγκτήρα
Η μελέτη προσομοίωσης του εξωτερικούσφιγκτήρας επάνωμετρητής ροής υπερήχωνπεριλαμβάνει τη μοντελοποίηση και την προσομοίωση της αρχής λειτουργίας και της απόδοσης του μετρητή ροής για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του, τη βελτίωση της ακρίβειας των μετρήσεων ή την αξιολόγηση της απόδοσής του υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας.
Μοντελοποίηση Αριθμητικής Προσομοίωσης
Η αριθμητική μοντελοποίηση προσομοίωσης εφαρμόζεται για τη δημιουργία μαθηματικών μοντέλων για τη ροή ρευστού και τη διάδοση κυμάτων υπερήχων, συμπεριλαμβανομένων εξισώσεων δυναμικής ρευστών και ακουστικών εξισώσεων. Τα εργαλεία Computational Fluid Dynamics (CFD) χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση της ροής ρευστού. Αυτά τα εργαλεία μπορούν να προσομοιώσουν τις αναταράξεις, την κατανομή της ταχύτητας ροής κ.λπ., και να αναλύσουν τον αντίκτυπο της διάδοσης κυμάτων υπερήχων. Με βάση το CFD, πραγματοποιείται ακουστική ανάλυση για την προσομοίωση της διάδοσης και της ανάκλασης του υπερηχητικού σήματος. Λογισμικό ακουστικής προσομοίωσης (όπως η ακουστική ενότητα στο COMSOL Multiphysics) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ολοκληρωθεί αυτό. Η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA) της δομής του αισθητήρα υπερήχων διεξάγεται για την κατανόηση της απόδοσής της υπό διαφορετικές συνθήκες. Το FEA βοηθά στην ανάλυση των επιπτώσεων της θερμικής διαστολής, των κραδασμών κ.λπ., στα αποτελέσματα των μετρήσεων. Η επαφή μεταξύ του αισθητήρα και του αγωγού λαμβάνεται υπόψη στην προσομοίωση για την αξιολόγηση της επίδρασής της στη μετάδοση υπερήχων.
Εργαστηριακή Επαλήθευση και Βελτιστοποίηση
Στο εργαστήριο, χρησιμοποιείται ένας πάγκος δοκιμής ροής για τη μέτρηση της πραγματικής ροής και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για να επαληθευτεί η ακρίβεια του μοντέλου προσομοίωσης. Οι παράμετροι του μοντέλου προσομοίωσης προσαρμόζονται με βάση πειραματικά αποτελέσματα για τη βελτίωση της ακρίβειας πρόβλεψης. Μέσω της προσομοίωσης, η θέση του αισθητήρα, ο σχεδιασμός του εξαρτήματος και η μέθοδος εγκατάστασης βελτιστοποιούνται για τη βελτίωση της ακρίβειας και της σταθερότητας της μέτρησης. Ακολουθώντας σωστάΟδηγίες εγκατάστασης μετρητή ροής με σφιγκτήρα υπερήχωνείναι ζωτικής σημασίας κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας βελτιστοποίησης, καθώς η εσφαλμένη εγκατάσταση μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την ακρίβεια των μετρήσεων. Διαφορετικές συνθήκες σφάλματος (όπως φυσαλίδες, στερεά σωματίδια) προσομοιώνονται στην προσομοίωση για να αξιολογηθεί ο αντίκτυπός τους στην απόδοση του μετρητή ροής. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας, οι φυσικές ιδιότητες του ρευστού (όπως θερμοκρασία και πίεση) πρέπει να λαμβάνονται υπόψη, καθώς αυτές οι ιδιότητες επηρεάζουν την ταχύτητα διάδοσης των υπερηχητικών κυμάτων. Επιπλέον, ο θόρυβος και οι παρεμβολές στο πραγματικό περιβάλλον μπορεί να επηρεάσουν την ποιότητα του σήματος υπερήχων, κάτι που απαιτεί επίσης βελτιστοποίηση των αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος μέσω προσομοιώσεων και πειραμάτων.
COMSOL Multiphysics Simulation Analysis
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το λογισμικό COMSOL Multiphysics 5.6 για την κατασκευή μοντέλων και την ανάλυση προσομοίωσης, οι προσομοιώσεις μπορούν να αναλύσουν την επίδραση διαφορετικών γωνιών, υλικών αγωγών, διαμέτρων σωλήνων, συχνοτήτων υπερήχων και μεθόδων εγκατάστασης στη διάδοση κυμάτων υπερήχων. Το σχηματικό διάγραμμα του μοντέλου μέτρησης ροής υπερήχων φαίνεται στο Σχήμα 3.6. Για να βελτιώσουμε την υπολογιστική απόδοση της λύσης τρισδιάστατου μοντέλου, χρησιμοποιούμε συνήθως τη συμμετρία για να προσομοιώσουμε το μισό κανάλι για να αναπαραστήσουμε ολόκληρο το μοντέλο. Κατά τη διαδικασία κατασκευής του μοντέλου, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση διαφορετικών υλικών αγωγών στη γωνία διάθλασης υπερήχων, καθώς και οι διαφορετικές αποστάσεις οριζόντιας μετατόπισης για τους δύο μορφοτροπείς που είναι εγκατεστημένοι κάτω από διαφορετικές διαμέτρους σωλήνων.
Εικόνα 3.6 Σχηματικό διάγραμμα κατασκευής μοντέλου μέτρησης ροής υπερήχων
Μέθοδοι Εγκατάστασης Μετατροπέα
Για να πληρούνται οι γενικές απαιτήσεις για τη μέτρηση διαφορετικών διαμέτρων σωλήνων, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται διαφορετικές συχνότητες εργασίας των μορφοτροπέων υπερήχων και διαφορετικές μέθοδοι εγκατάστασης μορφοτροπέων στη μέτρηση ροής υπερήχων. Οσφιγκτήρας σε μετρητή ροής υπερήχων τύπουπροσφέρει ιδιαίτερα πλεονεκτήματα από αυτή την άποψη, καθώς επιτρέπει τη μη επεμβατική εγκατάσταση χωρίς να απαιτείται κοπή σωλήνων ή τερματισμός της διαδικασίας. Οι συνήθεις μέθοδοι εγκατάστασης περιλαμβάνουν το σχήμα V-σχήμα Z-σχήμα N-σχήμα και το σχήμα W-. Για να μελετηθεί ο αντίκτυπος των διαφορετικών μεθόδων εγκατάστασης μορφοτροπέων στα σήματα διάδοσης κυμάτων υπερήχων, είναι απαραίτητο να διεξαχθεί σχετική έρευνα. Αυτό το άρθρο χρησιμοποιεί κυρίως την προσομοίωση μοντελοποίησης μεθόδου εγκατάστασης μορφοτροπέα σχήματος Z- ως παράδειγμα για επίδειξη.
Ασυνεχής Μέθοδος Galerkin και Διαίρεση Πλέγματος
Στην COMSOL Multiphysics 5.6, χρησιμοποιείται η λειτουργική μονάδα διασύνδεσης "Εξίσωση συναγωγής, ρητό τομέα χρόνου" και από προεπιλογή, αποτελεί μέρος του τύπου με συναρτήσεις Quartic. Για την επίλυση προβλημάτων κυμάτων, η μέθοδος Discontinuous Galerkin έχει αποδειχθεί αποτελεσματική μέθοδος. Η μέθοδος Discontinuous Galerkin απλοποιεί το πρόβλημα διαίρεσης πλέγματος σε μεγάλα μοντέλα, επιτρέποντας τη χρήση ελεύθερων τετραεδρικών πλεγμάτων με μέγεθος μισού-μήκους κύματος και τελικά επιλύοντας ολόκληρο το μοντέλο. Στην πραγματική διαίρεση πλέγματος, συνήθως ορίζουμε το μέγεθος του στοιχείου πλέγματος σε οποιαδήποτε τιμή μεταξύ μισού μήκους κύματος και δύο-τρίτων του μήκους κύματος για να αποκτήσουμε την κατάλληλη χωρική ανάλυση. Όταν χρησιμοποιείτε τη ρητή λύση επίλυσης τομέα χρόνου-, το μέγεθος του εσωτερικού χρονικού βήματος ελέγχεται αυστηρά από το λογισμικό COMSOL, επομένως το μικρότερο στοιχείο πλέγματος στο μοντέλο ελέγχει το χρονικό βήμα. Κατά τη ρύθμιση ελεύθερων τετραεδρικών στοιχείων πλέγματος, πρέπει να ελέγχονται τα μέγιστα και ελάχιστα μεγέθη στοιχείων. Στην COMSOL Multiphysics 5.6, για τη ρητή διεπαφή{11}}τομέα "Εξίσωση συναγωγής", το εσωτερικό χρονικό βήμα επιλέγεται αυτόματα με βάση το επίπεδο βελτίωσης και τις φυσικές ιδιότητες του πλέγματος. Το σχήμα 3.7 δείχνει τη διαίρεση του πλέγματος για τη μελέτη της ταχύτητας ροής στο φόντο και της ακουστικής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο εγκατάστασης σχήματος Z.
(α) Ταχύτητα ροής παρασκηνίου (β) Ακουστική
Εικόνα 3.7 Διαίρεση πλέγματος για τη μελέτη της ταχύτητας ροής στο παρασκήνιο και της ακουστικής σε διαφορετικούς χρόνους
Διαμόρφωση Φυσικού Πεδίου
Αφού κατασκευαστεί το μοντέλο, πρέπει να οριστούν φυσικά πεδία. Η περιοχή υγρού στον αγωγό έχει οριστεί ως φυσικό πεδίο στρωτής ή τυρβώδους ροής για την προσομοίωση του ρευστού στον αγωγό κατά την πραγματική χρήση. ο τομέας υγρού στον αγωγό, ο αγωγός και οι μετατροπείς και στις δύο πλευρές του αγωγού ορίζονται ως το φυσικό πεδίο "Εξίσωση μεταφοράς, ρητή περιοχή χρόνου" για την προσομοίωση της διάδοσης υπερηχητικών κυμάτων. Στη ρύθμιση φυσικού πεδίου "Εξίσωση συναγωγής, ρητή περιοχή χρόνου", τα άκρα του αγωγού ορίζονται ως όρια σύνθετης αντίστασης για την περικοπή του υπολογισμού. Σε στρωτές ή τυρβώδεις προσομοιώσεις, η είσοδος ρευστού βρίσκεται στα αριστερά και η έξοδος του ρευστού βρίσκεται στα δεξιά. ΕΝΑδένωμετρητής ροής υπερήχωνΗ διαμόρφωση γίνεται με έναν πομπό υπερήχων εγκατεστημένο στην κάτω πλευρά του αγωγού και έναν δέκτη εγκατεστημένο στην επάνω πλευρά. Μια κανονική ταχύτητα εφαρμόζεται στο άκρο του πομπού για να εκπέμπει υπερηχητικά κύματα.
Μοντελοποίηση και Ανάλυση Ρευστών Καταστάσεων
Όταν χρησιμοποιείτε το λογισμικό COMSOL Multiphysics 5.6 για προσομοιώσεις μέτρησης ροής με υπερήχους, πρέπει πρώτα να μοντελοποιηθεί και να αναλυθεί η ρευστή κατάσταση στον αγωγό. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα έναν σωλήνα PVC με εξωτερική διάμετρο 15 mm και πάχος τοιχώματος 0,75 mm, πραγματοποιήθηκαν στρωτές και τυρβώδεις προσομοιώσεις. Αυτές οι προσομοιώσεις είναι απαραίτητες για την κατανόηση του πώς τοιμάντα υπερήχων σε μετρητή ροήςλειτουργεί υπό διάφορες συνθήκες ροής. Η προσομοίωση στρωτής ροής χρησιμοποιεί τη μονάδα "Laminar Flow" στο COMSOL Multiphysics 5.6 για ρύθμιση φυσικού πεδίου και η προσομοίωση τυρβώδους ροής χρησιμοποιεί τη μονάδα "Turbulent Flow, k-ω". Το Σχήμα 3.8 δείχνει το μέγεθος της ταχύτητας ροής υποβάθρου υπό στρωτές και τυρβώδεις συνθήκες.
Από το σχήμα 3.8, μπορεί να φανεί ότι υπό συνθήκες στρωτής ροής, η ταχύτητα ροής σε κάθε τμήμα του αγωγού είναι σχεδόν ομοιόμορφη, κοντά στη μέση ταχύτητα ροής του ρευστού υποβάθρου. Σύμφωνα με το διάγραμμα, το βαθύτερο χρώμα στο κέντρο του αγωγού υποδηλώνει μεγαλύτερη ταχύτητα ροής.
(α) Στρωτή ροή (β) Τυρβώδης ροή
Σχήμα 3.8 Μέγεθος της ταχύτητας ροής στο παρασκήνιο κάτω από διαφορετικές καταστάσεις ρευστού
Ανάλυση Ταχύτητας Ροής Υποβάθρου
Για να εμφανιστεί πιο ξεκάθαρα η ταχύτητα ροής σε κάθε τμήμα του αγωγού, επιλέχθηκε ένα τμήμα του αγωγού για να σχεδιάσει την καμπύλη ταχύτητας ροής φόντου. Το σχήμα 3.9 δείχνει τις καμπύλες ταχύτητας ροής υποβάθρου υπό συνθήκες στρωτής και τυρβώδους ροής.
Για τον σωλήνα PVC με εξωτερική διάμετρο 15 mm και πάχος τοιχώματος 0,75 mm, πραγματοποιήθηκε ανάλυση προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης χρησιμοποιώντας τη μονάδα "Laminar Flow" φαίνονται στην Εικόνα 3.9(a). Μπορεί να φανεί ότι στην κατάσταση στρωτής ροής, η μετάβαση της ταχύτητας ροής συμβαίνει μόνο εντός εύρους 5 mm στην επιφάνεια του σωλήνα, ενώ η ταχύτητα ροής σε άλλες θέσεις είναι περίπου 10 m/s, υποδεικνύοντας ότι το ρευστό παρουσιάζει καθυστέρηση ροής κοντά στο τοίχωμα του σωλήνα λόγω τριβής του σωλήνα. Αντίθετα, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης χρησιμοποιώντας την ενότητα "Τυρβώδης ροή, k-ω" φαίνονται στο Σχήμα 3.9(β). Μπορεί να φανεί ότι υπό συνθήκες μέσης ταχύτητας ροής 10 m/s, η ταχύτητα ροής κοντά στο τοίχωμα του σωλήνα είναι περίπου 4,5 m/s και η ταχύτητα ροής στο κέντρο του αγωγού μπορεί να φτάσει περίπου τα 12,2 m/s, με την κατανομή της ταχύτητας ροής να σχηματίζει ένα παραβολικό σχήμα.
(α) Στρωτή ροή
(β) Τυρβώδης ροή
Σχήμα 3.9 Καμπύλες ταχύτητας ροής υποβάθρου κάτω από διαφορετικές καταστάσεις ρευστού
Μπορεί επίσης να σας ενδιαφέρουν αυτά τα θέματα.
