- توسط LiuXing، مهندس ارشد اندازه‌گیری جریان با 15+ سال تجربه در تحقیق و توسعه فلومتر اولتراسونیک،

دارای گواهینامه تجزیه و تحلیل CFD (ANSYS Fluent Professional)

ارزش مهندسی شبیه سازی ساختار خط لوله جریان سنج التراسونیک درج

چرا فناوری شبیه سازی مورد نیاز است؟

در مهندسی عملی، عملکرد درجفلومتر اولتراسونیکبه طور قابل توجهی تحت تاثیر شرایط خط لوله است. روش‌های سنتی متکی به اشکال‌زدایی مکرر-سایت هستند که نه تنها پرهزینه است، بلکه ممکن است تنها پس از راه‌اندازی، نقص‌های طراحی را نیز آشکار کند. معرفی فناوری شبیه سازی این وضعیت را تغییر داده است و مهندسان را قادر می سازد تا مشکلات بالقوه را در مرحله طراحی شناسایی و حل کنند.

ارزش اصلی آن در این است: انتقال «هزینه‌های آزمایش-و-خطا از میدان به رایانه، جایگزینی آزمایش‌های فیزیکی گران قیمت با محاسبات عددی.

شش مسئله اصلی مهندسی که با شبیه سازی حل شده اند

نحوه تعیین موقعیت پروب

سرعت جریان در خطوط لوله به طور یکنواخت توزیع نشده است. زانوها و دریچه‌ها گرداب‌های موضعی ایجاد می‌کنند و نصب پروب‌ها در این نواحی منجر به اعوجاج خواندن می‌شود. مهندسان از محاسبات مکانیک سیالات برای تجسم بردارهای سرعت در هر نقطه از خط لوله استفاده می کنند، بنابراین مقاطع متقاطع میدان جریان نسبتاً پایدار- را برای نصب سنسور انتخاب می کنند، که برای تعیین دقیق ضریب تصحیح مشخصات جریان (FPCF) ضروری است.

تمرین نشان می دهد: تفاوت های جزئی در زاویه شیب پروب (در سطح 5 درجه) وضعیت جریان را در ناحیه اندازه گیری تغییر می دهد. آزمایش سیستماتیک پیکربندی‌های چندین زاویه برای یافتن راه‌حل با حداقل خطا تقریباً در آزمایش‌های فیزیکی غیرعملی است، اما تحلیل محاسباتی را می‌توان در عرض چند روز تکمیل کرد و در عین حال اثرات برآمدگی مبدل و فرورفتگی را در نظر گرفت.

گلوگاه دقت کجاست

اندازه گیری اولتراسونیک بر اصل "تفاوت زمانی" متکی است و تغییرات در پارامترهای سیال (دما، فشار، ترکیب) همگی بر سرعت صدا تأثیر می گذارند. فرمول‌های تجربی ساده برای پوشش همه شرایط عملیاتی، به‌ویژه زمانی که الزامات دقت انتقال حضانت را برآورده می‌کنند، دشوار است.

شبیه سازی رابطه نگاشت بین پارامترهای ورودی و انحراف اندازه گیری را از طریق تحلیل وابستگی عدد رینولدز ایجاد می کند. به عنوان مثال، هنگامی که دمای سیال 10± درجه نوسان می کند، سرعت صوت چقدر تغییر می کند؟ چگونه این تغییر به خطای جریان تبدیل می شود؟ با این داده های کمی، می توان الگوریتم های موثر جبران دما را طراحی کرد.

نحوه مدیریت وضعیت های جریان پیچیده

مدل جریان آرام در کتاب های درسی به ندرت در خطوط لوله واقعی ظاهر می شود. آشفتگی، جریان ثانویه، و حتی جریان گاز دو فازی-مایع باعث انحراف شدید پروفیل های سرعت از حالت های ایده آل می شود. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می تواند این پدیده های پیچیده را بازتولید کند. موارد مهندسی نشان می دهد: چولگی سرعت قابل توجهی هنوز در 15 قطر لوله در پایین دست یک خم 90 درجه خاص وجود دارد. بدون درک این موضوع، جریان محاسبه شده بر اساس مفروضات میدان جریان استاندارد ممکن است چندین درصد انحراف داشته باشد، به ویژه بر امواج فراصوت چند مسیرهفلومتردقت ادغام

بهینه سازی مسیر انتشار موج صوتی

امواج اولتراسونیک در حین انتشار با تداخل هایی مانند بازتاب دیواره لوله، پراکندگی جوش و عدم یکنواختی متوسط- مواجه می شوند. اثر تجمعی این عوامل ممکن است قدرت سیگنال را ضعیف کند یا نویز ایجاد کند.

شبیه‌سازی صوتی با استفاده از تکنیک‌های شبیه‌سازی ردیابی پرتوهای صوتی، مسیر واقعی پرتوها را در داخل خطوط لوله نشان می‌دهد. برخی از پیکربندی‌های هندسی "مناطق سایه صوتی" تولید می‌کنند که در نتیجه سیگنال‌های دریافتی بسیار ضعیفی ایجاد می‌کنند. پیکربندی های دیگر، اگرچه سیگنال های قوی دارند، اما اثرات چند مسیره ای دارند که باعث اعوجاج شکل موج می شود. از طریق تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای، مهندسان می‌توانند طرح آرایشی را با نسبت سیگنال به-بهینه انتخاب کنند.

تضمین عملکرد تحت محدودیت های نصب

مشخصات استاندارد معمولاً به 20 قطر لوله از بخش مستقیم لوله بالادست نیاز دارد، اما شرایط مزرعه اغلب نمی تواند این نیاز را برآورده کند. هزینه های اصلاح خط لوله ممکن است به صدها هزار دلار برسد.

شبیه سازی ارزیابی امکان سنجی را برای "نصب غیر استاندارد"- ارائه می دهد. با محاسبه درجه بازیابی میدان جریان تحت طول های مختلف لوله مستقیم، همراه با جبران پیکربندی چند مسیر{2}تکنولوژیبا استفاده از روش ادغام گاوس-ژاکوبی، دقت واجد شرایط ممکن است در فضاهایی با قطر لوله تنها 6-8 به دست آید. این نیاز به تجزیه و تحلیل سفارشی برای پروژه های خاص دارد، نه اینکه صرفاً مشخصات را اعمال کند، در حالی که اطمینان از اعتبار انطباق با ISO 17089.

قابلیت کاربرد در رسانه های ویژه

شرایط عملیاتی مانند مایعات با ویسکوزیته بالا، دوغاب های حاوی ذرات جامد، و گازهای با فشار بالا-درجه حرارت بالا{2}} ویژگی های جریانی دارند که به طور قابل توجهی با سیالات معمولی متفاوت است. نصب راش ممکن است منجر به آسیب تجهیزات یا شکست در اندازه گیری شود.

شبیه سازی امکان تست شرایط شدید در محیط های مجازی را فراهم می کند. به عنوان مثال، محاسبه اینکه آیا نیروی ضربه جریان گاز با سرعت بالا روی پروب باعث ایجاد تشدید ساختاری از طریق پیش‌بینی فرکانس ریزش گردابی می‌شود یا خیر. یا تجزیه و تحلیل اینکه آیا فرکانس ضربه ذرات باعث تسریع سایش سنسور می شود. این اطلاعات انتخاب مواد و طراحی تقویت سازه را راهنمایی می کند.

مرزهای کاربرد فنی

شبیه سازی همه کاره نیست. دقت آن بستگی به این دارد:

• اینکه آیا مدل ریاضی فرآیندهای فیزیکی واقعی را پوشش می دهد یا خیر
• آیا تنظیمات شرط مرزی با شرایط واقعی مطابقت دارد یا خیر
• آیا منابع محاسباتی برای راه حل های تصفیه شده کافی هستند یا خیر

برای پدیده‌های جریان کاملاً جدید یا شرایط عملیاتی شدید، نتایج شبیه‌سازی نیاز به اعتبارسنجی داده‌های تجربی دارند. با این وجود، شبیه‌سازی همچنان می‌تواند دامنه تجربی را تا حد زیادی محدود کند، بر پارامترهای کلیدی تمرکز کند و کارایی تحقیق و توسعه را به طور قابل‌توجهی بهبود بخشد.

شکل 3.1: جریان سنج اولتراسونیک نوع درج-

شکل 3.1 یک جریان سنج اولتراسونیک از نوع درج شده معمولاً مورد استفاده را نشان می دهد. اصل کار آن نصب یک جفت حسگر اولتراسونیک در دو طرف خط لوله و دستیابی به اندازه گیری دقیق جریان با تشخیص و محاسبه تفاوت بین سرعت پالس اولتراسونیک در جریان پایین دست و بالادست است. در طول فرآیند اندازه گیری، حسگرها به طور متناوب سیگنال های اولتراسونیک را در جهت مخالف ارسال و دریافت می کنند. سیگنال های اولتراسونیک در جریان پایین دست سریعتر از جریان بالادست منتشر می شوند. وقتی سیال ساکن است، اختلاف زمانی صفر است. بنابراین با اندازه گیری زمان انتشار امواج مافوق صوت در جریان پایین دست و بالادست می توان اختلاف زمانی t را بدست آورد. با توجه به رابطه بین t و سرعت جریان V، سرعت متوسط ​​جریان سیال را می توان به طور غیرمستقیم اندازه گیری کرد، و نرخ جریان حجمی Q را می توان بر اساس سطح مقطع خط لوله محاسبه کرد.

طراحی کانال سیال باید سرعت و محدوده جریان سیال را در نظر بگیرد، جایی که طراحی خط لوله باید بیشتر بر محدوده سرعت جریان سیال تمرکز کند تا از دقت اندازه گیری جریان اطمینان حاصل شود. سرعت جریان سیال بیش از حد بالا یا پایین در نهایت بر ویژگی های انتشار سیگنال های اولتراسونیک تأثیر می گذارد.

ابعاد خط لوله، یعنی قطر داخلی خط لوله، باید با قطر داخلی خط لوله اندازه گیری شده مطابقت داشته باشد تا اختلال در جریان سیال کاهش یابد و بنابراین از تأثیرگذاری بر نتایج اندازه گیری نهایی جلوگیری شود. ساختار تکیه گاه در ساختار خط لوله باید مواد-مقاوم در برابر خوردگی و سایش{2}}مقاوم برای افزایش عمر مفید را انتخاب کند. در عین حال، طراحی معقول برای اطمینان از پایداری آن تحت سرعت جریان بالا یا فشار بالا مورد نیاز است. مبدل اولتراسونیک باید یک نوع مبدل اولتراسونیک مناسب (مانند نوع موج هدایت شده یا نوع انعکاس) را با توجه به الزامات برنامه انتخاب کند و سپس موقعیت مناسبی را برای نصب مبدل اولتراسونیک انتخاب کند تا اطمینان حاصل شود که سیگنال اولتراسونیک می تواند به طور موثر از کل خط لوله عبور کند.
علاوه بر عوامل فوق، تحقیقات انجام شده توسط تانگ شیائیو[103] و سایر محققان دانشگاه ژجیانگ نیز شامل موارد زیر است: تحت شرایط خمش 90 درجه و خمش 180 درجه، تأثیر توزیع سرعت جریان غیر ایده‌آل در هر مسیر صوتی فلومتر اولتراسونیک، به ویژه تأثیر بر اندازه‌گیری دقت و دبی سرعت سنج جریان. Zhang Zhijun و Zhu Yingsheng[102] و سایر محققان، بر اساس تحقیقات قبلی، از فناوری شبیه‌سازی CFD برای انجام تحلیل شبیه‌سازی در 7 زاویه (در فواصل 5 درجه) بین 30 درجه تا 60 درجه برای زوایای نصب مبدل اولتراسونیک استفاده کردند. نتایج نشان می دهد که: زوایای نصب متفاوت بر توزیع سرعت جریان در قسمت شیار مسیر صوتی تأثیر می گذارد. در همان زمان، خطای نسبی بین سرعت جریان شبیه‌سازی‌شده و سرعت جریان ایده‌آل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و مشخص شد که زاویه نصب ترانسدیوسر بهینه برای فلومتر اولتراسونیک گازی طراحی‌شده با قطر DN80 50 درجه است.

تحقیق شبیه‌سازی خط لوله اندازه‌گیری جریان اولتراسونیک نوع درج-

تحقیق شبیه سازی سه جنبه را در نظر می گیرد:

شبیه سازی دینامیک سیالات، شبیه سازی انتشار اولتراسونیک و شبیه سازی مکانیک سازه. با استفاده از مدل‌های CFD (Computational Fluid Dynamics) می‌توان جریان سیال داخل خط لوله را شبیه‌سازی کرد و سپس اثرات عواملی مانند توزیع سرعت جریان و جریان گردابی را بر انتشار سیگنال اولتراسونیک تحلیل کرد. در طول فرآیند شبیه سازی، گرداب های احتمالی، حباب ها و غیره در سیال باید بررسی شوند تا تا حد امکان از تداخل در اندازه گیری اولتراسونیک جلوگیری شود.
با در نظر گرفتن تأثیر زوایای مختلف نصب مبدل بر توزیع سرعت جریان، اگر طول کل بدنه فلومتر خط لوله L=230 میلی‌متر و قطر D{1}} میلی‌متر باشد. زاویه نصب مبدل را روی 30 درجه تا 60 درجه تنظیم کنید و یک مدل شبیه سازی را در فواصل 5 درجه ایجاد کنید. زوایای نصب مختلف در شکل 3.2 نشان داده شده است. برای کاهش مصرف حافظه کامپیوتر و بار محاسباتی زمانی که نرم افزار ANSYS شبیه سازی را انجام می دهد، مدل CFD فلومتر اولتراسونیک گاز را می توان تا حدودی ساده کرد، تنها با در نظر گرفتن تعیین قطر داخلی محفظه فلومتر و مدل مبدل، و بقیه به طور موقت نادیده گرفته می شوند.
مدل هندسی به سه قسمت تقسیم می شود: خط لوله جلو، فلومتر اولتراسونیک گاز و خط لوله عقب. در میان آنها، خطوط لوله جلو و عقب از مش ساختار یافته استفاده می کنند، فلومتر التراسونیک گاز میانی از مش چهاروجهی استفاده می کند، و اتصال سطح رابط در نقاط اتصال، با اصلاح مش در سطوح اتصال استفاده می شود. خطوط لوله مستقیم خروجی و ورودی از مش ساختار یافته به عنوان مش شش وجهی استفاده می کنند، با حداکثر اندازه مش روی 2، Spacing1 (فاصله مش لایه مرزی اول) 1.5، نسبت 1 (نرخ رشد مش لایه مرزی اول) 2، Spacing2 (دومین فاصله مش لایه مرزی) و فاصله شبکه راتیو 2 لایه مرزی 1.5، فاصله بین لایه های مرزی 1.5 تنظیم شده است. 2. حداکثر اندازه مش قسمت بدنه فلومتر اولتراسونیک گاز 5 است. پالایش موضعی روی مش مبدل با حداکثر اندازه مش 1.5 اعمال می شود. پالایش محلی روی مش رابط اعمال می شود و اندازه مش را 2 نگه می دارد.

شکل 3.2 نمودار شماتیک مبدل ها در زوایای نصب مختلف

نمودار نتایج بهینه سازی زاویه مبدل

انتخاب و راه اندازی نرم افزار شبیه سازی CFD

ANSYS Fluent در مقابل COMSOL:کدام یک برای شبیه سازی فلومتر اولتراسونیک بهتر است؟
مقایسه مدل آشفتگی:k-ε در مقابل k-ω SST در مقابل RSM برای شماره رینولدز 104-107
معیارهای کیفیت مش:y+ < 1، نسبت تصویر < 100، چولگی < 0.85

شکل 3.3: مدل سازی مدل

با توجه به گرادیان سرعت زیاد در نزدیکی سطح دیوار، اصلاح شبکه لایه مرزی با استفاده از قانون رشد نمایی، با ارتفاع اولیه (ارتفاع اولیه) 0.1، نسبت ارتفاع (نسبت هر لایه مرزی) 1.2، تعداد لایه ها (تعداد لایه های مرزی) (تعداد لایه های مرزی) از 3، 3 تنظیم شده است. 0.7. تعداد مش کل نهایی تقریباً 1.5 میلیون است. با در نظر گرفتن زاویه نصب مبدل 50 درجه چهار مسیر DN80 به عنوان مثال، نتیجه تقسیم مش در شکل 3.3 نشان داده شده است.

شکل 3.4: نقشه های کانتور سرعت در سرعت جریان ورودی 10 متر بر ثانیه، زوایای نصب 50 درجه و 30 درجه

برای درک بهتر توزیع سیال در داخل خط لوله در زوایای مختلف نصب، با در نظر گرفتن دو حالت زوایای نصب 30 درجه و 50 درجه به عنوان مثال، زمانی که سرعت جریان ورودی 10 متر بر ثانیه است، نقشه‌های کانتور سرعت مسیرهای یک و سه در شکل 3.4 نشان داده شده است.

برای ارزیابی امکان سنجی رایگان شرایط خط لوله و الزامات اندازه گیری، امروز با تیم مهندسی ما تماس بگیرید.