- Από τον LiuXing, Ανώτερο Μηχανικό Μέτρησης Ροής με 15+ χρόνια εμπειρία στην Έρευνα και Ανάπτυξη ροόμετρου υπερήχων,

πιστοποιημένο στην ανάλυση CFD (ANSYS Fluent Professional)

Μηχανική Αξία Εισαγωγής Προσομοίωση δομής αγωγού μετρητή ροής υπερήχων

Γιατί είναι απαραίτητη η τεχνολογία προσομοίωσης;

Στην πρακτική μηχανική, η απόδοση της εισαγωγήςμετρητές ροής υπερήχωνεπηρεάζεται σημαντικά από τις συνθήκες του αγωγού. Οι παραδοσιακές μέθοδοι βασίζονται σε επαναλαμβανόμενο-εντοπισμό σφαλμάτων ιστότοπου, ο οποίος δεν είναι μόνο δαπανηρός αλλά μπορεί επίσης να αποκαλύψει ελαττώματα σχεδιασμού μόνο μετά την έναρξη λειτουργίας. Η εισαγωγή της τεχνολογίας προσομοίωσης άλλαξε αυτή την κατάσταση, επιτρέποντας στους μηχανικούς να εντοπίσουν και να λύσουν πιθανά προβλήματα στο στάδιο του σχεδιασμού.

Η βασική του αξία έγκειται στη μεταφορά του "κόστους δοκιμής{-και-δοκιμών-από το πεδίο στους υπολογιστές, αντικαθιστώντας τα ακριβά φυσικά πειράματα με αριθμητικούς υπολογισμούς.

Έξι σημαντικά τεχνικά προβλήματα που λύθηκαν με προσομοίωση

Πώς να προσδιορίσετε τη θέση του ανιχνευτή

Η ταχύτητα ροής στους αγωγούς δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη. Οι αγκώνες και οι βαλβίδες δημιουργούν τοπικές δίνες και η εγκατάσταση ανιχνευτών σε αυτές τις περιοχές θα οδηγήσει σε παραμορφωμένες μετρήσεις. Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν υπολογισμούς μηχανικής ρευστών για να οπτικοποιήσουν διανύσματα ταχύτητας σε κάθε σημείο του αγωγού, επιλέγοντας έτσι σχετικά σταθερές διατομές πεδίου ροής- για εγκατάσταση αισθητήρα, κάτι που είναι απαραίτητο για τον ακριβή προσδιορισμό του συντελεστή διόρθωσης προφίλ ροής (FPCF).

Η πρακτική δείχνει: μικρές διαφορές στη γωνία κλίσης του αισθητήρα (σε επίπεδο 5 μοιρών) θα αλλάξουν την κατάσταση ροής στην περιοχή μέτρησης. Ο συστηματικός έλεγχος διαμορφώσεων πολλαπλών γωνιών για την εύρεση της λύσης με το ελάχιστο σφάλμα είναι σχεδόν μη πρακτικός σε φυσικά πειράματα, αλλά η υπολογιστική ανάλυση μπορεί να ολοκληρωθεί εντός ημερών, ενώ υπολογίζονται τα φαινόμενα προεξοχής και εσοχής του μορφοτροπέα.

Πού είναι το σημείο συμφόρησης ακρίβειας

Η μέτρηση με υπερήχους βασίζεται στην αρχή της «διαφοράς χρόνου» και οι αλλαγές στις παραμέτρους του υγρού (θερμοκρασία, πίεση, σύνθεση) επηρεάζουν την ταχύτητα του ήχου. Οι απλοί εμπειρικοί τύποι είναι δύσκολο να καλύψουν όλες τις συνθήκες λειτουργίας, ειδικά όταν πληρούνται οι απαιτήσεις ακρίβειας μεταφοράς φύλαξης.

Η προσομοίωση καθιερώνει τη σχέση χαρτογράφησης μεταξύ των παραμέτρων εισόδου και της απόκλισης μέτρησης μέσω της ανάλυσης εξάρτησης αριθμών Reynolds. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία του υγρού κυμαίνεται ±10 μοίρες, πόσο αλλάζει η ταχύτητα του ήχου; Πώς μεταφράζεται αυτή η αλλαγή σε σφάλμα ροής; Με αυτά τα ποσοτικά δεδομένα, μπορούν να σχεδιαστούν αποτελεσματικοί αλγόριθμοι αντιστάθμισης θερμοκρασίας.

Πώς να χειριστείτε σύνθετες καταστάσεις ροής

Το μοντέλο στρωτής ροής στα σχολικά βιβλία σπάνια εμφανίζεται σε πραγματικούς αγωγούς. Ο στροβιλισμός, η δευτερεύουσα ροή, ακόμη και η ροή αερίου-υγρού δύο-φάσεων προκαλούν σοβαρή απόκλιση των προφίλ ταχύτητας από τις ιδανικές καταστάσεις. Η Υπολογιστική Ρευστοδυναμική (CFD) μπορεί να αναπαράγει αυτά τα πολύπλοκα φαινόμενα. Οι περιπτώσεις μηχανικής δείχνουν: σημαντική λοξότητα ταχύτητας εξακολουθεί να υπάρχει 15 διαμέτρους σωλήνων κατάντη μιας συγκεκριμένης κάμψης 90 μοιρών. Χωρίς να το καταλαβαίνουμε αυτό, η ροή που υπολογίζεται σύμφωνα με τυπικές υποθέσεις πεδίου ροής μπορεί να αποκλίνει κατά αρκετές ποσοστιαίες μονάδες, επηρεάζοντας ιδιαίτερα τους υπερήχους πολλαπλών διαδρομώνμετρητής ροήςακρίβεια ενσωμάτωσης.

Βελτιστοποίηση διαδρομής διάδοσης ακουστικών κυμάτων

Τα υπερηχητικά κύματα αντιμετωπίζουν παρεμβολές όπως αντανακλάσεις τοιχώματος σωλήνα, σκέδαση συγκόλλησης και μεσαία ανομοιομορφία-κατά τη διάδοση. Η σωρευτική επίδραση αυτών των παραγόντων μπορεί να αποδυναμώσει την ισχύ του σήματος ή να δημιουργήσει θόρυβο.

Η ακουστική προσομοίωση χρησιμοποιώντας τεχνικές προσομοίωσης ιχνηλάτησης ακουστικών ακτίνων αποκαλύπτει την πραγματική τροχιά των ακτίνων εντός των σωληνώσεων. Ορισμένες γεωμετρικές διαμορφώσεις παράγουν "ακουστικές σκιώδεις ζώνες", με αποτέλεσμα εξαιρετικά αδύναμα λαμβανόμενα σήματα. άλλες διαμορφώσεις, αν και έχουν ισχυρά σήματα, έχουν πολλαπλές διαδρομές που προκαλούν παραμόρφωση κυματομορφής. Μέσω της συγκριτικής ανάλυσης, οι μηχανικοί μπορούν να επιλέξουν το σχήμα διάταξης με τη βέλτιστη αναλογία σήματος-προς-θόρυβο.

Διασφάλιση απόδοσης υπό περιορισμούς εγκατάστασης

Οι τυπικές προδιαγραφές απαιτούν συνήθως 20 διαμέτρους σωλήνων ανάντη ευθύγραμμου τμήματος σωλήνα, αλλά οι συνθήκες πεδίου συχνά δεν μπορούν να ικανοποιήσουν αυτήν την απαίτηση. Το κόστος τροποποίησης του αγωγού μπορεί να φτάσει τις εκατοντάδες χιλιάδες δολάρια.

Η προσομοίωση παρέχει αξιολόγηση σκοπιμότητας για "μη-μη τυπική εγκατάσταση." Υπολογίζοντας τον βαθμό ανάκτησης πεδίου ροής κάτω από διαφορετικά μήκη ευθύγραμμων τμημάτων σωλήνων, σε συνδυασμό με αντιστάθμιση διαμόρφωσης πολλαπλών-διαδρομώντεχνολογίαχρησιμοποιώντας τη μέθοδο ολοκλήρωσης Gauss-Jacobi, μπορεί να επιτευχθεί ειδική ακρίβεια σε χώρους με μόνο 6-8 διαμέτρους σωλήνων. Αυτό απαιτεί προσαρμοσμένη ανάλυση για συγκεκριμένα έργα, αντί για απλή εφαρμογή προδιαγραφών, διασφαλίζοντας παράλληλα την επικύρωση συμμόρφωσης με το ISO 17089.

Δυνατότητα εφαρμογής σε ειδικά μέσα

Οι συνθήκες λειτουργίας όπως υγρά υψηλού-ιξώδους, πολτούς που περιέχουν στερεά σωματίδια και αέρια υψηλής{1} θερμοκρασίας υψηλής-πίεσης έχουν χαρακτηριστικά ροής που διαφέρουν σημαντικά από τα συμβατικά ρευστά. Η εγκατάσταση εξανθήματος μπορεί να οδηγήσει σε βλάβη του εξοπλισμού ή αστοχία της μέτρησης.

Η προσομοίωση επιτρέπει τη δοκιμή ακραίων συνθηκών σε εικονικά περιβάλλοντα. Για παράδειγμα, ο υπολογισμός του εάν η δύναμη κρούσης της ροής αερίου υψηλής-ταχύτητας στον ανιχνευτή θα προκαλέσει δομικό συντονισμό μέσω της πρόβλεψης συχνότητας απόρριψης δίνης. ή αναλύοντας εάν η συχνότητα πρόσκρουσης σωματιδίων θα επιταχύνει τη φθορά του αισθητήρα. Αυτές οι πληροφορίες καθοδηγούν την επιλογή υλικού και τον σχεδιασμό δομικής ενίσχυσης.

Όρια Τεχνικής Εφαρμογής

Η προσομοίωση δεν είναι παντοδύναμη. Η ακρίβειά του εξαρτάται από:

• Εάν το μαθηματικό μοντέλο καλύπτει πραγματικές φυσικές διεργασίες
• Εάν οι ρυθμίσεις οριακών συνθηκών συμμορφώνονται με τις πραγματικές καταστάσεις
• Εάν οι υπολογιστικοί πόροι είναι επαρκείς για βελτιωμένη λύση

Για εντελώς νέα φαινόμενα ροής ή ακραίες συνθήκες λειτουργίας, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης χρειάζονται πειραματική επικύρωση δεδομένων. Ωστόσο, η προσομοίωση μπορεί ακόμα να περιορίσει σημαντικά το πεδίο εφαρμογής του πειράματος, να επικεντρωθεί σε βασικές παραμέτρους και να βελτιώσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα της έρευνας και ανάπτυξης.

Εικόνα 3.1: Ροόμετρο υπερήχων τύπου εισαγωγής-

Το Σχήμα 3.1 δείχνει ένα συνήθως χρησιμοποιούμενο ροόμετρο υπερήχων τύπου εισαγωγής-. Η αρχή λειτουργίας του είναι να εγκαταστήσει ένα ζεύγος αισθητήρων υπερήχων και στις δύο πλευρές του αγωγού και να επιτύχει ακριβή μέτρηση ροής ανιχνεύοντας και υπολογίζοντας τη διαφορά μεταξύ των ταχυτήτων παλμών υπερήχων στην κατάντη και ανάντη ροή. Κατά τη διαδικασία μέτρησης, οι αισθητήρες εκπέμπουν και λαμβάνουν εναλλάξ υπερηχητικά σήματα σε αντίθετες κατευθύνσεις. Τα υπερηχητικά σήματα διαδίδονται γρηγορότερα στην κατάντη ροή παρά στην ανάντη ροή. όταν το ρευστό είναι ακίνητο, η χρονική διαφορά είναι μηδέν. Επομένως, με τη μέτρηση του χρόνου διάδοσης των κυμάτων υπερήχων σε ροή κατάντη και ανάντη, μπορεί να ληφθεί η χρονική διαφορά t. Σύμφωνα με τη σχέση μεταξύ t και της ταχύτητας ροής V, η μέση ταχύτητα ροής του ρευστού μπορεί να μετρηθεί έμμεσα και ο ογκομετρικός ρυθμός ροής Q μπορεί να υπολογιστεί βάσει της διατομής-του αγωγού.

Ο σχεδιασμός του καναλιού ρευστού θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη την ταχύτητα ροής ρευστού και το εύρος ροής, όπου ο σχεδιασμός του αγωγού πρέπει να επικεντρωθεί περισσότερο στο εύρος ταχύτητας ροής ρευστού για να διασφαλίσει την ακρίβεια της μέτρησης της ροής. Η υπερβολικά υψηλή ή χαμηλή ταχύτητα ροής ρευστού θα επηρεάσει τελικά τα χαρακτηριστικά διάδοσης των σημάτων υπερήχων.

Οι διαστάσεις του αγωγού, δηλαδή η εσωτερική διάμετρος του αγωγού, πρέπει να ταιριάζουν με την εσωτερική διάμετρο του μετρούμενου αγωγού για να μειωθεί η διαταραχή στη ροή του ρευστού και έτσι να αποφευχθεί η επίδραση των τελικών αποτελεσμάτων μέτρησης. Η δομή στήριξης στη δομή του αγωγού θα πρέπει να επιλέγει υλικά-ανθεκτικά στη διάβρωση και στη φθορά-για να παρατείνει τη διάρκεια ζωής. Ταυτόχρονα, απαιτείται λογικός σχεδιασμός για να διασφαλιστεί η σταθερότητά του σε υψηλή ταχύτητα ροής ή υψηλή πίεση. Ο μορφοτροπέας υπερήχων πρέπει να επιλέξει έναν κατάλληλο τύπο μορφοτροπέα υπερήχων (όπως τύπο κατευθυνόμενου κύματος ή τύπο ανάκλασης) σύμφωνα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής και, στη συνέχεια, να επιλέξει την κατάλληλη θέση για να εγκαταστήσει τον μορφοτροπέα υπερήχων για να διασφαλίσει ότι το σήμα υπερήχων μπορεί να περάσει αποτελεσματικά μέσω ολόκληρης της σωλήνωσης.
Εκτός από τους παραπάνω παράγοντες, η έρευνα που διεξήχθη από τον Tang Xiaoyu[103] και άλλους μελετητές από το Πανεπιστήμιο Zhejiang περιλαμβάνει επίσης: κάτω από συνθήκες κάμψης 90 μοιρών και κάμψης 180 μοιρών, την επίδραση της μη-ιδανικής κατανομής ταχύτητας ροής σε κάθε ακουστική διαδρομή του ροόμετρου υπερήχων, ιδιαίτερα την επίδραση στη μέτρηση της ακρίβειας και τη ροή του μετρητή ροής. Οι Zhang Zhijun και Zhu Yingsheng[102] και άλλοι μελετητές, με βάση προηγούμενες έρευνες, χρησιμοποίησαν τεχνολογία προσομοίωσης CFD για να πραγματοποιήσουν ανάλυση προσομοίωσης σε 7 γωνίες (σε διαστήματα 5 μοιρών) μεταξύ 30 μοιρών και 60 μοιρών για γωνίες εγκατάστασης μορφοτροπέα υπερήχων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι: διαφορετικές γωνίες εγκατάστασης επηρεάζουν την κατανομή της ταχύτητας ροής στο τμήμα αυλάκωσης της ακουστικής διαδρομής. Ταυτόχρονα, αναλύθηκε το σχετικό σφάλμα μεταξύ της προσομοιωμένης ταχύτητας ροής και της ιδανικής ταχύτητας ροής και καθορίστηκε ότι η βέλτιστη γωνία εγκατάστασης μορφοτροπέα για το σχεδιασμένο ροόμετρο υπερήχων αερίου διαμέτρου DN80 είναι 50 μοίρες.

Έρευνα προσομοίωσης αγωγού μέτρησης ροής υπερήχων-τύπου εισαγωγής

Η έρευνα προσομοίωσης εξετάζει τρεις πτυχές:

Προσομοίωση δυναμικής ρευστών, προσομοίωση διάδοσης με υπερήχους και προσομοίωση δομικής μηχανικής. Χρησιμοποιώντας μοντέλα CFD (Computational Fluid Dynamics), η ροή του ρευστού μέσα στον αγωγό μπορεί να προσομοιωθεί και στη συνέχεια να αναλυθούν τα αποτελέσματα παραγόντων όπως η κατανομή της ταχύτητας ροής και η ροή στροβιλισμού στη διάδοση του σήματος υπερήχων. Κατά τη διαδικασία προσομοίωσης, θα πρέπει να ελέγχονται πιθανές δίνες, φυσαλίδες κ.λπ. στο υγρό για να αποφευχθούν όσο το δυνατόν περισσότερες παρεμβολές στη μέτρηση με υπερήχους.
Λαμβάνοντας για παράδειγμα την επίδραση διαφορετικών γωνιών εγκατάστασης μορφοτροπέα στην κατανομή της ταχύτητας ροής, εάν το συνολικό μήκος σώματος του ροόμετρου αγωγού είναι L=230 mm και η διάμετρος είναι D=80 mm. Ρυθμίστε τη γωνία εγκατάστασης του μορφοτροπέα σε 30 μοίρες ~ 60 μοίρες και δημιουργήστε ένα μοντέλο προσομοίωσης σε διαστήματα 5 μοιρών. Διαφορετικές γωνίες εγκατάστασης φαίνονται στο σχήμα 3.2. Για να μειωθεί η κατανάλωση μνήμης υπολογιστή και το υπολογιστικό φορτίο όταν το λογισμικό ANSYS εκτελεί προσομοίωση, το μοντέλο CFD του ροόμετρου υπερήχων αερίου μπορεί να απλοποιηθεί σε κάποιο βαθμό, μόνο λαμβάνοντας υπόψη τον καθορισμό της εσωτερικής διαμέτρου του περιβλήματος του ροόμετρου και του μοντέλου του μορφοτροπέα, ενώ τα υπόλοιπα αγνοούνται προσωρινά.
Το γεωμετρικό μοντέλο χωρίζεται σε τρία μέρη: μπροστινός αγωγός, ροόμετρο υπερήχων αερίου και οπίσθιος αγωγός. Μεταξύ αυτών, οι μπροστινοί και οι οπίσθιοι αγωγοί υιοθετούν δομημένο πλέγμα, το μεσαίο ροόμετρο υπερήχων αερίου υιοθετεί τετραεδρικό πλέγμα και η σύνδεση επιφάνειας διεπαφής χρησιμοποιείται στα σημεία σύνδεσης, με τελειοποίηση πλέγματος στις επιφάνειες σύνδεσης. Οι ευθύγραμμοι σωλήνες εξόδου και εισόδου υιοθετούν δομημένο πλέγμα ως εξαεδρικό πλέγμα, με μέγιστο μέγεθος πλέγματος ρυθμισμένο σε 2, Spacing1 (απόσταση πλέγματος πρώτου οριακού στρώματος) 1,5, Ratio1 (ρυθμός ανάπτυξης πλέγματος πρώτου οριακού στρώματος) 2, Spacing2 (δεύτερη απόσταση πλέγματος οριακού στρώματος) και ρυθμός ανάπτυξης 1,5 mesh (ανάπτυξη Rashtio) 2. Το μέγιστο μέγεθος πλέγματος του τμήματος σώματος του ροόμετρου υπερήχων αερίου είναι 5. εφαρμόζεται τοπική βελτίωση στο πλέγμα του μορφοτροπέα με μέγιστο μέγεθος ματιών 1,5. Η τοπική βελτίωση εφαρμόζεται στο πλέγμα διεπαφής, διατηρώντας το μέγεθος του πλέγματος στο 2.

Σχήμα 3.2 Σχηματικό διάγραμμα μορφοτροπέων σε διαφορετικές γωνίες εγκατάστασης

Πίνακας αποτελεσμάτων βελτιστοποίησης γωνίας μετατροπέα

Επιλογή και εγκατάσταση λογισμικού προσομοίωσης CFD

ANSYS Fluent εναντίον COMSOL:Τι είναι καλύτερο για προσομοίωση ροόμετρου υπερήχων;
Σύγκριση μοντέλου αναταράξεων:k-ε vs k-ω SST vs RSM για τον αριθμό Reynolds 104-107
Κριτήρια ποιότητας πλέγματος:y+ < 1, λόγος διαστάσεων < 100, λοξότητα < 0,85

Εικόνα 3.3: Μοντέλο Μοντελοποίησης

Λόγω της μεγάλης κλίσης ταχύτητας κοντά στην επιφάνεια του τοίχου, υιοθετείται η βελτίωση του πλέγματος του οριακού στρώματος, με χρήση νόμου εκθετικής ανάπτυξης, με αρχικό ύψος (αρχικό ύψος) ρυθμισμένο σε 0,1, λόγο ύψους (αναλογία κάθε οριακού στρώματος) 1,2, αριθμός στρωμάτων (αριθμός οριακών στρωμάτων) και σύνολο ύψους 3, όριο ύψους (3, όριο) 0,7. Ο τελικός συνολικός αριθμός πλέγματος είναι περίπου 1,5 εκατομμύρια. Λαμβάνοντας για παράδειγμα τη γωνία εγκατάστασης του μετατροπέα τεσσάρων-διαδρομών DN80 50 μοιρών, το αποτέλεσμα διαίρεσης πλέγματος φαίνεται στο Σχήμα 3.3.

Εικόνα 3.4: Χάρτες περιγράμματος ταχύτητας στην Ταχύτητα ροής εισόδου 10 m/s, Γωνίες εγκατάστασης 50 μοιρών και 30 μοιρών

Για να κατανοήσετε καλύτερα την κατανομή ρευστού εντός του αγωγού σε διαφορετικές γωνίες εγκατάστασης, λαμβάνοντας ως παραδείγματα τις δύο περιπτώσεις γωνιών εγκατάστασης 30 μοιρών και 50 μοιρών, όταν η ταχύτητα ροής εισόδου είναι 10 m/s, οι χάρτες περιγράμματος ταχύτητας των μονοπατιών 1 και 3 φαίνονται στο Σχήμα 3.4.

Επικοινωνήστε σήμερα με την ομάδα μηχανικών μας για μια δωρεάν αξιολόγηση σκοπιμότητας των συνθηκών του αγωγού σας και των απαιτήσεων μέτρησης.