Studju ta 'Simulazzjoni tal-Meter tal-Fluss ultrasoniku tal-Klamp Estern: Ottimizzazzjoni tad-Disinn, Titjib tal-Eżattezza

Studju ta' Simulazzjoni tal-Meter tal-Fluss ultrasoniku tal-Klamp Estern

L-istudju ta 'simulazzjoni ta' l-esternclamp fuqmiter tal-fluss ultrasonikujinvolvi l-immudellar u s-simulazzjoni tal-prinċipju tax-xogħol u l-prestazzjoni tal-miter tal-fluss biex jottimizza d-disinn tiegħu, itejjeb l-eżattezza tal-kejl, jew jevalwa l-prestazzjoni tiegħu taħt kundizzjonijiet operattivi differenti.

Modeljar ta' Simulazzjoni Numerika

L-immudellar ta 'simulazzjoni numerika huwa applikat biex jistabbilixxi mudelli matematiċi għall-fluss tal-fluwidu u l-propagazzjoni tal-mewġ ultrasoniku, inklużi l-ekwazzjonijiet tad-dinamika tal-fluwidu u l-ekwazzjonijiet akustiċi. L-għodod tal-Kompjutazzjoni tal-Fluwid Dynamics (CFD) jintużaw biex jimmudellaw il-fluss tal-fluwidu. Dawn l-għodod jistgħu jissimulaw it-taqlib, id-distribuzzjoni tal-veloċità tal-fluss, eċċ., U janalizzaw l-impatt tal-propagazzjoni tal-mewġ ultrasoniku. Ibbażat fuq CFD, titwettaq analiżi akustika biex tissimula l-propagazzjoni u r-riflessjoni tas-sinjal ultrasoniku. Softwer ta 'simulazzjoni akustika (bħall-modulu akustiku f'COMSOL Multiphysics) jista' jintuża biex jitlesta dan. L-Analiżi tal-Elementi Finiti (FEA) tal-istruttura tas-sensorju ultrasoniku titwettaq biex tifhem il-prestazzjoni tagħha taħt kundizzjonijiet differenti. FEA jgħin janalizza l-effetti ta 'espansjoni termali, vibrazzjoni, eċċ., Fuq ir-riżultati tal-kejl. Il-kuntatt bejn is-sensor u l-pipeline huwa kkunsidrat fis-simulazzjoni biex jiġi evalwat l-effett tiegħu fuq it-trasmissjoni ultrasonika.

Verifika u Ottimizzazzjoni tal-Laboratorju

Fil-laboratorju, bank tat-test tal-fluss jintuża għall-kejl attwali tal-fluss, u r-riżultati huma mqabbla mar-riżultati tas-simulazzjoni biex tiġi vverifikata l-eżattezza tal-mudell tas-simulazzjoni. Il-parametri tal-mudell ta 'simulazzjoni huma aġġustati abbażi ta' riżultati sperimentali biex itejbu l-eżattezza tat-tbassir. Permezz tas-simulazzjoni, il-pożizzjoni tas-sensor, id-disinn tal-apparat u l-metodu ta 'installazzjoni huma ottimizzati biex itejbu l-eżattezza u l-istabbiltà tal-kejl. Wara xierqaclamp fuq il-linji gwida tal-installazzjoni tal-miter tal-fluss ultrasonikuhija kruċjali matul dan il-proċess ta 'ottimizzazzjoni, peress li installazzjoni mhux korretta tista' taffettwa b'mod sinifikanti l-eżattezza tal-kejl. Kundizzjonijiet ta 'ħsara differenti (bħal bżieżaq, partiċelli solidi) huma simulati fis-simulazzjoni biex jiġi evalwat l-impatt tagħhom fuq il-prestazzjoni tal-miter tal-fluss. Matul il-proċess sperimentali, il-proprjetajiet fiżiċi tal-fluwidu (bħal temperatura u pressjoni) jeħtieġ li jiġu kkunsidrati, peress li dawn il-proprjetajiet jaffettwaw il-veloċità tal-propagazzjoni tal-mewġ ultrasoniku. Barra minn hekk, il-ħoss u l-interferenza fl-ambjent reali jistgħu jaffettwaw il-kwalità tas-sinjal ultrasoniku, li jeħtieġ ukoll l-ottimizzazzjoni tal-algoritmi tal-ipproċessar tas-sinjali permezz ta 'simulazzjonijiet u esperimenti.

COMSOL Multiphysics Simulazzjoni Analiżi

Meta tieħu s-softwer COMSOL Multiphysics 5.6 bħala eżempju għall-kostruzzjoni tal-mudell u l-analiżi tas-simulazzjoni, simulazzjonijiet jistgħu janalizzaw l-impatt ta 'angoli differenti, materjali tal-pipeline, dijametri tal-pajpijiet, frekwenzi ultrasoniċi, u metodi ta' installazzjoni fuq propagazzjoni tal-mewġ ultrasoniku. Id-dijagramma skematika tal-mudell tal-kejl tal-fluss ultrasoniku tidher fil-Figura 3.6. Biex tittejjeb l-effiċjenza tal-komputazzjoni tas-soluzzjoni tal-mudell 3D, ġeneralment nużaw is-simetrija biex nissimulaw nofs il-kanal biex tirrappreżenta l-mudell kollu. Matul il-proċess ta 'kostruzzjoni tal-mudell, għandha titqies l-influwenza ta' materjali tal-pipeline differenti fuq l-angolu ta 'rifrazzjoni ultrasoniku, kif ukoll id-distanzi differenti ta' spostament orizzontali għaż-żewġ transducers installati taħt dijametri differenti tal-pajpijiet.

Figura 3.6 Dijagramma Skematika tal-Kostruzzjoni tal-Mudell tal-Kejl tal-Fluss ultrasoniku

Metodi ta' Installazzjoni ta' Transducer

Biex jintlaħqu r-rekwiżiti ġenerali għall-kejl ta 'dijametri ta' pajpijiet differenti, għandhom jintużaw frekwenzi ta 'ħidma differenti ta' transducers ultrasoniċi u metodi differenti ta 'installazzjoni ta' transducer fil-kejl tal-fluss ultrasoniku. Il-clamp fuq it-tip ta 'miter tal-fluss ultrasonikujoffri vantaġġi partikolari f'dan ir-rigward, peress li jippermetti installazzjoni mhux-invażiva mingħajr ma teħtieġ qtugħ tal-pajpijiet jew għeluq tal-proċess. Metodi ta' installazzjoni komuni jinkludu V-forma, Z-forma, N-forma, u W-forma. Biex tistudja l-impatt ta 'metodi differenti ta' installazzjoni ta 'transducer fuq sinjali ta' propagazzjoni tal-mewġ ultrasoniku, huwa meħtieġ li titwettaq riċerka relatata. Dan l-artikolu prinċipalment juża simulazzjoni ta 'mudellar tal-metodu ta' installazzjoni ta 'transducer Z-forma bħala eżempju għal dimostrazzjoni.

Metodu Galerkin Diskontinwu u Diviżjoni tal-Grid

F'COMSOL Multiphysics 5.6, jintuża l-modulu tal-interface "Ekwazzjoni tal-Konvezzjoni, Espliċitu tad-Dominju tal-Ħin", u b'mod awtomatiku, jifforma parti mill-formula b'funzjonijiet kwartiċi. Għas-soluzzjoni tal-problemi tal-mewġ, il-metodu Discontinuous Galerkin ġie ppruvat li huwa metodu effiċjenti. Il-metodu Discontinuous Galerkin jissimplifika l-problema tad-diviżjoni tal-grilja f'mudelli kbar, li jippermetti l-użu ta 'grids tetrahedral ħielsa b'daqs ta' nofs -wavelength, u finalment isolvi l-mudell kollu. Fid-diviżjoni attwali tal-grilja, normalment nissettjaw id-daqs tal-element tal-grilja għal kwalunkwe valur bejn nofs tul ta 'mewġ u żewġ-terzi ta' tul ta 'mewġ biex tinkiseb riżoluzzjoni spazjali xierqa. Meta tuża s-solvent espliċitu tad-dominju tal-ħin-, id-daqs tal-pass tal-ħin intern huwa kkontrollat ​​b'mod strett mis-softwer COMSOL, għalhekk l-iżgħar element tal-grilja fil-mudell jikkontrolla l-pass tal-ħin. Meta jiġu stabbiliti elementi ta 'grilja tetrahedral ħielsa, id-daqsijiet massimi u minimi tal-element għandhom jiġu kkontrollati. F'COMSOL Multiphysics 5.6, għall-interface espliċita tad-dominju tal-ħin tal-"Ekwazzjoni tal-Konvezzjoni"-, il-pass tal-ħin intern jintgħażel awtomatikament abbażi tal-livell ta' raffinar u l-proprjetajiet fiżiċi tal-grilja. Il-Figura 3.7 turi d-diviżjoni tal-grilja għall-istudju tal-veloċità tal-fluss fl-isfond u l-akustika bl-użu tal-metodu ta' installazzjoni tal-forma Z-.

(a) Veloċità tal-Fluss fl-Isfond (b) Akustika

Figura 3.7 Diviżjoni tal-Grid għall-Istudju tal-Veloċità tal-Fluss tal-Isfond u l-Akustika f'Ħinijiet Differenti

Konfigurazzjoni tal-Qasam Fiżiku

Wara li jinbena l-mudell, jeħtieġ li jiġu stabbiliti oqsma fiżiċi. Id-dominju tal-likwidu fil-pipeline huwa stabbilit bħala kamp fiżiku tal-fluss laminari jew turbulenti biex jissimula l-fluwidu fil-pipeline waqt l-użu attwali; id-dominju tal-likwidu fil-pipeline, il-pipeline, u t-transducers fuq iż-żewġ naħat tal-pipeline huma ssettjati bħala l-qasam fiżiku "Ekwazzjoni tal-Konvezzjoni, Ħin Espliċitu" biex jissimulaw il-propagazzjoni tal-mewġ ultrasoniku. Fis-setup tal-kamp fiżiku "Ekwazzjoni tal-Konvezzjoni, Dominju tal-Ħin Espliċitu", it-truf tal-pipeline huma definiti bħala konfini tal-impedenza biex jonqsu l-kalkolu. F'simulazzjonijiet laminari jew turbulenti, id-daħla tal-fluwidu tinsab fuq ix-xellug, u l-ħruġ tal-fluwidu huwa fuq il-lemin. Aċinga fuqmiter tal-fluss ultrasonikukonfigurazzjoni hija stabbilita bi trasmettitur ultrasoniku installat fuq in-naħa t'isfel tal-pipeline, u riċevitur installat fuq in-naħa ta 'fuq. Hija applikata veloċità normali fit-tarf tat-trasmettitur biex temetti mewġ ultrasoniku.

Immudellar u Analiżi tal-Istat tal-Fluwidu

Meta tuża s-softwer COMSOL Multiphysics 5.6 għal simulazzjonijiet tal-kejl tal-fluss ultrasoniku, l-istat tal-fluwidu fil-pipeline jeħtieġ li jiġi mmudellat u analizzat l-ewwel. It-teħid ta 'pajp tal-PVC b'dijametru ta' barra ta '15 mm u ħxuna tal-ħajt ta' 0.75 mm bħala eżempju, saru simulazzjonijiet laminari u turbolenti. Dawn is-simulazzjonijiet huma essenzjali biex wieħed jifhem kifċinga ultrasonika fuq miter tal-flusstwettaq taħt diversi kundizzjonijiet tal-fluss. Is-simulazzjoni tal-fluss laminari tuża l-modulu "Fluss Laminar" f'COMSOL Multiphysics 5.6 għall-konfigurazzjoni tal-kamp fiżiku, u s-simulazzjoni tal-fluss turbulenti tuża l-modulu "Fluss turbulenti, k-ω". Figura 3.8 turi l-kobor tal-veloċità tal-fluss fl-isfond taħt kundizzjonijiet laminari u turbolenti.

Mill-Figura 3.8, wieħed jista 'jara li taħt kundizzjonijiet ta' fluss laminari, il-veloċità tal-fluss f'kull parti tal-pipeline hija kważi uniformi, qrib il-veloċità medja tal-fluss tal-fluwidu fl-isfond. Skont id-dijagramma, il-kulur aktar profond fiċ-ċentru tal-pipeline jindika veloċità tal-fluss ogħla.

(a) Fluss Laminari (b) Fluss Turbulenti

Figura 3.8 Kobor tal-Veloċità tal-Fluss ta' Sfond Taħt Stati ta' Fluwidu Differenti

Analiżi tal-Veloċità tal-Fluss ta' Sfond

Biex turi b'mod aktar ċar il-veloċità tal-fluss f'kull parti tal-pipeline, intgħażlet sezzjoni tal-pipeline biex tfassal il-kurva tal-veloċità tal-fluss fl-isfond. Il-Figura 3.9 turi l-kurvi tal-veloċità tal-fluss fl-isfond taħt kundizzjonijiet ta 'fluss laminari u turbulenti.

Għall-pajp tal-PVC b'dijametru ta 'barra ta' 15 mm u ħxuna tal-ħajt ta '0.75 mm, saret analiżi ta' simulazzjoni. Ir-riżultati tas-simulazzjoni bl-użu tal-modulu "Laminar Flow" huma murija fil-Figura 3.9(a). Jista 'jidher li fl-istat tal-fluss laminari, it-transizzjoni tal-veloċità tal-fluss isseħħ biss f'medda ta' 5 mm fuq il-wiċċ tal-pajp, filwaqt li l-veloċità tal-fluss f'postijiet oħra hija ta 'madwar 10 m/s, li jindika li l-fluwidu jesperjenza dewmien tal-fluss ħdejn il-ħajt tal-pajp minħabba frizzjoni tal-pajp. B'kuntrast, ir-riżultati tas-simulazzjoni bl-użu tal-modulu "Fluss turbulenti, k-ω" huma murija fil-Figura 3.9(b). Wieħed jista 'jara li taħt il-kondizzjoni ta' veloċità medja tal-fluss ta '10 m/s, il-veloċità tal-fluss ħdejn il-ħajt tal-pajp hija madwar 4.5 m/s, u l-veloċità tal-fluss fiċ-ċentru tal-pipeline tista' tilħaq madwar 12.2 m/s, bid-distribuzzjoni tal-veloċità tal-fluss tifforma forma parabolika.

(a) Fluss Laminari 

(b) Fluss Turbulenti

Figura 3.9 Kurvi tal-Veloċità tal-Fluss ta' Sfond Taħt Stati ta' Fluwidu Differenti