- Minn LiuXing, Inġinier Anzjan tal-Kejl tal-Fluss bi 15+ snin esperjenza fl-R&D tal-miter tal-fluss ultrasoniku,

iċċertifikat fl-analiżi CFD (ANSYS Fluent Professional)

Valur tal-Inġinerija tal-Inserzjoni Simulazzjoni tal-Istruttura tal-Pipeline tal-Meter tal-Fluss ultrasoniku

Għaliex hija meħtieġa Teknoloġija ta 'Simulazzjoni?

Fl-inġinerija prattika, il-prestazzjoni tal-inserzjonimiters tal-fluss ultrasonikuhija affettwata b'mod sinifikanti mill-kundizzjonijiet tal-pipeline. Metodi tradizzjonali jiddependu fuq debugging ripetut fuq-sit, li mhux biss jiswa ħafna flus iżda jista' wkoll jiżvela difetti fid-disinn biss wara l-ikkummissjonar. L-introduzzjoni tat-teknoloġija ta 'simulazzjoni bidlet din is-sitwazzjoni, u ppermettiet lill-inġiniera jidentifikaw u jsolvu problemi potenzjali fl-istadju tad-disinn.

Il-valur ewlieni tiegħu jinsab fi: it-trasferiment ta' "spejjeż ta' prova-u-iżbalji" mill-qasam għall-kompjuters, li jissostitwixxi esperimenti fiżiċi għaljin b'kalkoli numeriċi.

Sitt Problemi Maġġuri ta 'Inġinerija Solvuti permezz ta' Simulazzjoni

Kif tiddetermina l-Pożizzjoni tas-Sonda

Il-veloċità tal-fluss fil-pipelines mhix distribwita b'mod uniformi. Il-minkbejn u l-valvi joħolqu vortiċi lokali, u l-installazzjoni ta 'sondi f'dawn iż-żoni twassal għal qari mgħawġa. L-inġiniera jużaw kalkoli tal-mekkanika tal-fluwidu biex jivviżwalizzaw il-vetturi tal-veloċità f'kull punt fil-pipeline, u b'hekk jagħżlu sezzjonijiet trasversali tal-kamp tal-fluss relattivament stabbli - għall-installazzjoni tas-sensuri, li hija essenzjali għal determinazzjoni preċiża tal-fattur ta 'korrezzjoni tal-profil tal-fluss (FPCF).

Il-prattika turi: differenzi żgħar fl-angolu tal-inklinazzjoni tas-sonda (fil-livell ta '5 gradi) se jibdlu l-istat tal-fluss fiż-żona tal-kejl. L-ittestjar sistematiku ta 'konfigurazzjonijiet ta' angoli multipli biex tinstab is-soluzzjoni bi żball minimu huwa kważi imprattikabbli f'esperimenti fiżiċi, iżda l-analiżi komputazzjonali tista 'titlesta fi żmien jiem filwaqt li tqis l-effetti ta' sporġenza tat-transducer u ta 'riċess.

Fejn hi l-Konġestjoni tal-Eżattezza

Il-kejl ultrasoniku jiddependi fuq il-prinċipju ta '"differenza fil-ħin", u l-bidliet fil-parametri tal-fluwidu (temperatura, pressjoni, kompożizzjoni) kollha jaffettwaw il-veloċità tal-ħoss. Formuli empiriċi sempliċi huma diffiċli biex ikopru l-kundizzjonijiet operattivi kollha, speċjalment meta jissodisfaw ir-rekwiżiti ta 'preċiżjoni tat-trasferiment tal-kustodja.

Is-simulazzjoni tistabbilixxi r-relazzjoni tal-mapping bejn il-parametri tad-dħul u d-devjazzjoni tal-kejl permezz tal-analiżi tad-dipendenza tan-numru Reynolds. Pereżempju, meta t-temperatura tal-fluwidu tvarja ± 10 gradi, kemm tinbidel il-veloċità tal-ħoss? Kif din il-bidla tissarraf fi żball fil-fluss? B'din id-dejta kwantitattiva, algoritmi effettivi ta 'kumpens tat-temperatura jistgħu jiġu ddisinjati.

Kif Immaniġġja Stati tal-Fluss Kumpless

Il-mudell tal-fluss laminari fil-kotba rarament jidher fil-pipelines attwali. It-taqlib, il-fluss sekondarju, u anke l-fluss tal-gass-likwidu b'żewġ-fażijiet jikkawżaw li l-profili tal-veloċità jiddevjaw ħafna mill-istati ideali. Computational Fluid Dynamics (CFD) jistgħu jirriproduċu dawn il-fenomeni kumplessi. Każijiet ta 'inġinerija juru: skewness sinifikanti tal-veloċità għadha teżisti 15-il dijametru tal-pajp 'l isfel minn ċertu liwja ta' 90 grad. Mingħajr ma tifhem dan, il-fluss ikkalkulat skont is-suppożizzjonijiet tal-kamp tal-fluss standard jista’ jiddevja b’diversi punti perċentwali, b’mod partikolari jaffettwa l-ultrasoniku multipathmiter tal-flusspreċiżjoni tal-integrazzjoni.

Ottimizzazzjoni tal-Path tal-Propagazzjoni tal-Mewġ Akustiku

Il-mewġ ultrasoniku jiltaqa' ma' interferenza bħal riflessjonijiet tal-ħajt tal-pajpijiet, tifrix tal-weldjatura, u nuqqas ta'-uniformità medja matul il-propagazzjoni. L-effett kumulattiv ta 'dawn il-fatturi jista' jdgħajjef is-saħħa tas-sinjal jew jintroduċi storbju.

Simulazzjoni akustika bl-użu ta 'tekniki ta' simulazzjoni ta 'traċċar tar-raġġi akustiċi tiżvela t-trajettorja attwali tar-raġġi ġewwa l-pipelines. Xi konfigurazzjonijiet ġeometriċi jipproduċu "żoni ta 'dell akustiċi," li jirriżultaw f'sinjali riċevuti estremament dgħajfa; konfigurazzjonijiet oħra, għalkemm għandhom sinjali qawwija, għandhom effetti multipath li jikkawżaw distorsjoni tal-forma tal-mewġ. Permezz ta' analiżi komparattiva, l-inġiniera jistgħu jagħżlu l-iskema ta' arranġament bl-aħjar proporzjon tas-sinjal-għall--l-istorbju.

Assigurazzjoni tal-Prestazzjoni Taħt Limitazzjonijiet ta' Installazzjoni

L-ispeċifikazzjonijiet standard tipikament jeħtieġu 20 dijametru tal-pajp ta 'sezzjoni ta' pajp dritta upstream, iżda l-kundizzjonijiet tal-qasam ħafna drabi ma jistgħux jissodisfaw dan ir-rekwiżit. L-ispejjeż tal-modifika tal-pipeline jistgħu jilħqu mijiet ta' eluf ta' dollari.

Is-simulazzjoni tipprovdi valutazzjoni tal-fattibilità għal "installazzjoni mhux-standard." Billi tikkalkula l-grad ta' rkupru tal-kamp tal-fluss taħt tulijiet differenti ta' sezzjoni tal-pajp dritta, flimkien ma' kumpens ta' konfigurazzjoni ta' multi-mogħdijateknoloġijabl-użu tal-metodu ta' integrazzjoni Gauss-Jacobi, preċiżjoni kwalifikata tista' tinkiseb fi spazji b'dijametri ta' 6-8 pajpijiet biss. Dan jeħtieġ analiżi personalizzata għal proġetti speċifiċi, aktar milli sempliċement jiġu applikati speċifikazzjonijiet, filwaqt li tiġi żgurata l-validazzjoni tal-konformità ISO 17089.

Applikabilità għal Media Speċjali

Kundizzjonijiet operattivi bħal likwidi ta'-viskożità għolja, slurries li fihom partiċelli solidi, u gassijiet ta'-temperatura għolja-pressjoni għolja għandhom karatteristiċi ta' fluss li jvarjaw b'mod sinifikanti minn fluwidi konvenzjonali. L-installazzjoni tar-raxx tista 'twassal għal ħsara fit-tagħmir jew nuqqas ta' kejl.

Is-simulazzjoni tippermetti li jiġu ttestjati kundizzjonijiet estremi f'ambjenti virtwali. Pereżempju, il-kalkolu jekk il-forza tal-impatt tal-fluss tal-gass ta'-veloċità għolja fuq is-sonda tikkawżax reżonanza strutturali permezz tat-tbassir tal-frekwenza tat-tixrid tal-vortiċi; jew tanalizza jekk il-frekwenza tal-impatt tal-partiċelli se taċċellera l-ilbies tas-sensorju. Din l-informazzjoni tiggwida l-għażla tal-materjal u d-disinn tat-tisħiħ strutturali.

Konfini ta' Applikazzjoni Teknika

Is-simulazzjoni mhix omnipotenti. L-eżattezza tagħha tiddependi fuq:

• Jekk il-mudell matematiku jkoprix proċessi fiżiċi reali
• Jekk is-settings tal-kondizzjoni tal-konfini jikkonformawx mas-sitwazzjonijiet attwali
• Jekk ir-riżorsi komputazzjonali humiex biżżejjed għal soluzzjoni raffinata

Għal fenomeni ta 'fluss kompletament ġodda jew kundizzjonijiet operattivi estremi, ir-riżultati tas-simulazzjoni jeħtieġu validazzjoni tad-dejta sperimentali. Madankollu, is-simulazzjoni xorta tista' tnaqqas ħafna l-ambitu sperimentali, tiffoka fuq parametri ewlenin, u ttejjeb b'mod sinifikanti l-effiċjenza tar-riċerka u l-iżvilupp.

Figura 3.1: Miter tal-Fluss ultrasoniku tat-tip ta' inserzjoni-

Il-Figura 3.1 turi miter tal-fluss ultrasoniku tat-tip ta' inserzjoni-użat b'mod komuni. Il-prinċipju tax-xogħol tiegħu huwa li tinstalla par ta 'sensors ultrasoniċi fuq iż-żewġ naħat tal-pipeline, u tikseb kejl preċiż tal-fluss billi tiskopri u tikkalkula d-differenza bejn il-veloċitajiet tal-polz ultrasoniku fil-fluss downstream u upstream. Matul il-proċess tal-kejl, is-sensuri alternattivament jittrasmettu u jirċievu sinjali ultrasoniċi f'direzzjonijiet opposti. Is-sinjali ultrasoniċi jinfirxu aktar malajr fil-fluss downstream milli fil-fluss upstream; meta l-fluwidu jkun wieqaf, id-differenza fil-ħin hija żero. Għalhekk, billi jitkejjel il-ħin tal-propagazzjoni tal-mewġ ultrasoniku fil-fluss downstream u upstream, tista 'tinkiseb id-differenza fil-ħin t. Skont ir-relazzjoni bejn t u l-veloċità tal-fluss V, il-veloċità medja tal-fluss tal-fluwidu tista 'titkejjel indirettament, u r-rata tal-fluss volumetrika Q tista' tiġi kkalkulata abbażi tal-erja tas-sezzjoni trasversali tal-pipeline-.

Id-disinn tal-kanal tal-fluwidu għandu jqis il-veloċità tal-fluss tal-fluwidu u l-firxa tal-fluss, fejn id-disinn tal-pipeline jeħtieġ li jiffoka aktar fuq il-firxa tal-veloċità tal-fluss tal-fluwidu biex jiżgura l-eżattezza tal-kejl tal-fluss. Veloċità tal-fluss tal-fluwidu eċċessivament għolja jew baxxa fl-aħħar mill-aħħar se taffettwa l-karatteristiċi tal-propagazzjoni tas-sinjali ultrasoniċi.

Id-dimensjonijiet tal-pipeline, jiġifieri d-dijametru ta 'ġewwa tal-pipeline, jeħtieġ li jaqblu mad-dijametru ta' ġewwa tal-pipeline mkejla biex inaqqsu t-tfixkil għall-fluss tal-fluwidu u b'hekk jevitaw li jaffettwaw ir-riżultati finali tal-kejl. L-istruttura ta 'appoġġ fl-istruttura tal-pipeline għandha tagħżel materjali reżistenti għall-korrużjoni-u jilbsu- biex testendi l-ħajja tas-servizz; fl-istess ħin, huwa meħtieġ disinn raġonevoli biex jiżgura l-istabbiltà tiegħu taħt veloċità għolja tal-fluss jew pressjoni għolja. It-transducer ultrasoniku jeħtieġ li jagħżel tip ta 'transducer ultrasoniku xieraq (bħal tip ta' mewġ iggwidat jew tip ta 'riflessjoni) skont ir-rekwiżiti tal-applikazzjoni, u mbagħad agħżel pożizzjoni xierqa biex tinstalla t-transducer ultrasoniku biex tiżgura li s-sinjal ultrasoniku jista' jgħaddi b'mod effettiv mill-pipeline kollu.
Minbarra l-fatturi ta 'hawn fuq, ir-riċerka mmexxija minn Tang Xiaoyu[103] u studjużi oħra mill-Università ta' Zhejiang tinkludi wkoll: taħt kundizzjonijiet ta 'liwja ta' 90 grad u kundizzjonijiet ta 'liwja ta' 180 grad, l-influwenza tad-distribuzzjoni tal-veloċità tal-fluss mhux-idejali fuq kull mogħdija akustika tal-miter tal-fluss ultrasoniku, speċjalment l-impatt fuq il-kejl tal-veloċità tal-fluss u l-eżattezza tal-fluss tal-fluss. Zhang Zhijun u Zhu Yingsheng[102] u studjużi oħra, ibbażati fuq riċerka preċedenti, użaw teknoloġija ta 'simulazzjoni CFD biex iwettqu analiżi ta' simulazzjoni fuq 7 angoli (f'intervalli ta '5 gradi) bejn 30 grad u 60 grad għal angoli ta' installazzjoni ta 'transducer ultrasoniku. Ir-riżultati juru li: angoli ta 'installazzjoni differenti jaffettwaw id-distribuzzjoni tal-veloċità tal-fluss fil-porzjon tal-kanal tal-mogħdija akustika. Fl-istess ħin, ġie analizzat l-iżball relattiv bejn il-veloċità tal-fluss simulata u l-veloċità tal-fluss ideali, u ġie ddeterminat li l-aħjar angolu ta 'installazzjoni tat-transducer għall-miter ultrasoniku tal-gass ta' dijametru DN80 iddisinjat huwa ta '50 grad.

Inserzjoni-Tip ta' Kejl tal-Fluss ultrasoniku Riċerka ta' Simulazzjoni tal-Pipeline

Ir-riċerka ta’ simulazzjoni tqis tliet aspetti:

Simulazzjoni tad-dinamika tal-fluwidu, simulazzjoni tal-propagazzjoni ultrasonika, u simulazzjoni tal-mekkanika strutturali. Bl-użu ta 'mudelli CFD (Computational Fluid Dynamics), il-fluss tal-fluwidu ġewwa l-pipeline jista' jiġi simulat, u mbagħad jistgħu jiġu analizzati l-effetti ta 'fatturi bħad-distribuzzjoni tal-veloċità tal-fluss u l-fluss vortiċi fuq il-propagazzjoni tas-sinjal ultrasoniku. Matul il-proċess ta 'simulazzjoni, vortiċi possibbli, bżieżaq, eċċ fil-fluwidu għandhom jiġu kkontrollati biex tiġi evitata interferenza mal-kejl ultrasoniku kemm jista' jkun.
Meta tieħu l-influwenza ta 'angoli differenti ta' installazzjoni tat-transducer fuq id-distribuzzjoni tal-veloċità tal-fluss bħala eżempju, jekk it-tul totali tal-ġisem tal-miter tal-fluss tal-pipeline huwa L=230 mm u d-dijametru huwa D=80 mm. Issettja l-angolu ta 'installazzjoni tat-transducer għal 30 grad ~ 60 grad, u stabbilixxi mudell ta' simulazzjoni f'intervalli ta '5 gradi. Angoli ta 'installazzjoni differenti huma murija fil-Figura 3.2. Biex jitnaqqas il-konsum tal-memorja tal-kompjuter u t-tagħbija komputazzjonali meta s-softwer ANSYS iwettaq simulazzjoni, il-mudell CFD tal-miter tal-fluss ultrasoniku tal-gass jista 'jiġi ssimplifikat sa ċertu punt, meta wieħed iqis biss l-istabbiliment tad-dijametru ta' ġewwa tad-djar tal-miter tal-fluss u l-mudell tat-transducer, bil-bqija injorat temporanjament.
Il-mudell ġeometriku huwa maqsum fi tliet partijiet: pipeline ta 'quddiem, miter tal-fluss ultrasoniku tal-gass, u pipeline ta' wara. Fost dawn, il-pipelines ta 'quddiem u ta' wara jadottaw malji strutturati, il-miter tal-fluss ultrasoniku tal-gass tan-nofs jadotta malji tetrahedral, u konnessjoni tal-wiċċ tal-Interface tintuża fil-punti ta 'konnessjoni, b'raffinament tal-malji fl-uċuħ tal-konnessjoni. Il-pipelines dritti tal-ħruġ u tad-daħla jadottaw malji strutturati bħala malji hexahedral, b'daqs massimu tal-malji stabbilit għal 2, Spacing1 (ispazjar tal-malji tal-ewwel saff tal-konfini) ta '1.5, Ratio1 (rata ta' tkabbir tal-malji tal-ewwel saff tal-konfini) ta '2, Spacing2 (it-tieni spazjar tal-malji tas-saff tal-konfini) ta' 1.5 (ispazjar tal-malji tas-saff tal-konfini) ta '1. Id-daqs massimu tal-malji tas-sezzjoni tal-ġisem tal-miter tal-fluss ultrasoniku tal-gass huwa 5; ir-raffinament lokali huwa applikat għall-malji tat-transducer b'daqs massimu tal-malji ta '1.5; ir-raffinament lokali huwa applikat għall-malji tal-interface, u jżomm id-daqs tal-malja f'2.

Figura 3.2 Dijagramma Skematika ta 'Transducers f'Angoli ta' Installazzjoni Differenti

Ċart tar-riżultati tal-Ottimizzazzjoni tal-Angolu tat-Transducer

Għażla u Setup tas-Softwer tas-Simulazzjoni tas-CFD

ANSYS Fluwenti vs COMSOL:Liema hija aħjar għas-simulazzjoni tal-miter tal-fluss ultrasoniku?
Paragun tal-mudell tat-turbolenza:k-ε vs k-ω SST vs RSM għal Reynolds numru 10⁴-10⁷
Kriterji tal-kwalità tal-malji:y+ < 1, proporzjon tal-aspett < 100, skewness < 0.85

Figura 3.3: Mudell tal-Immudellar

Minħabba l-gradjent ta 'veloċità kbira ħdejn il-wiċċ tal-ħajt, ir-raffinament tal-malji tas-saff tal-konfini huwa adottat, bl-użu ta' liġi ta 'tkabbir esponenzjali, b'Għoli Inizjali (għoli inizjali) issettjat għal 0.1, Proporzjon ta' Għoli (proporzjon ta 'kull saff tal-konfini) ta' 1.2, Numru ta 'Saffi (numru ta' saffi tal-konfini) ta '3, u Għoli totali ta' 0. L-għadd totali finali tal-malji huwa bejn wieħed u ieħor 1.5 miljun. Meta tieħu l-angolu ta 'installazzjoni tat-transducer ta' erba '-passaġġ DN80 ta' 50 grad bħala eżempju, ir-riżultat tad-diviżjoni tal-malji huwa muri fil-Figura 3.3.

Figura 3.4: Mapep tal-Kontorn tal-Veloċità fil-Veloċità tal-Fluss tad-Dħul ta' 10 m/s, Angoli ta' Installazzjoni ta' 50 grad u 30 grad

Biex tifhem aħjar id-distribuzzjoni tal-fluwidu ġewwa l-pipeline f'angoli ta 'installazzjoni differenti, filwaqt li ż-żewġ każijiet ta' angoli ta 'installazzjoni ta' 30 grad u 50 grad bħala eżempji, meta l-veloċità tal-fluss tad-dħul hija 10 m/s, il-mapep tal-kontorn tal-veloċità tal-mogħdijiet wieħed u tlieta huma murija fil-Figura 3.4.

Ikkuntattja lit-tim tal-inġinerija tagħna llum għal valutazzjoni kumplimentari tal-fattibilità tal-kundizzjonijiet tal-pipeline tiegħek u r-rekwiżiti tal-kejl.