מחקר סימולציה של מד זרימה אולטרסאונד חיצוני: מיטוב עיצוב, שיפור דיוק - ידע

מחקר סימולציה של מד הזרימה האולטראסוני של מהדק חיצוני

לימוד הסימולציה של החיצונילהדקמד זרימה קוליכולל מודלים והדמיה של עקרון העבודה והביצועים של מד הזרימה כדי לייעל את עיצובו, לשפר את דיוק המדידה או להעריך את ביצועיו בתנאי הפעלה שונים.

דוגמנות סימולציה מספרית

מודל סימולציה נומרי מיושם כדי לבסס מודלים מתמטיים לזרימת נוזלים והתפשטות גלים על-קוליים, כולל משוואות דינמיקה של נוזלים ומשוואות אקוסטיות. נעשה שימוש בכלי Computational Fluid Dynamics (CFD) למודל של זרימת הנוזל. כלים אלו יכולים לדמות מערבולות, התפלגות מהירות זרימה וכו', ולנתח את ההשפעה של התפשטות גל קולי. בהתבסס על CFD, ניתוח אקוסטי מבוצע כדי לדמות את התפשטות והשתקפות האות האולטראסוני. ניתן להשתמש בתוכנת סימולציה אקוסטית (כגון המודול האקוסטי ב-COMSOL Multiphysics) כדי להשלים זאת. ניתוח אלמנטים סופיים (FEA) של מבנה החיישן האולטראסוני מתבצע כדי להבין את הביצועים שלו בתנאים שונים. FEA עוזר לנתח את ההשפעות של התפשטות תרמית, רטט וכו', על תוצאות המדידה. המגע בין החיישן לצינור נחשב בסימולציה כדי להעריך את השפעתו על שידור קולי.

אימות ואופטימיזציה במעבדה

במעבדה, ספסל בדיקת זרימה משמש למדידת זרימה בפועל, והתוצאות מושוות לתוצאות הסימולציה כדי לוודא את דיוק מודל הסימולציה. פרמטרים של מודל הסימולציה מותאמים על סמך תוצאות ניסוי כדי לשפר את דיוק הניבוי. באמצעות סימולציה, מיקום החיישן, עיצוב המתקן ושיטת ההתקנה מותאמים לשיפור דיוק ויציבות המדידה. בעקבות תקיןמהדק על הנחיות התקנת מד זרימה קוליהוא חיוני במהלך תהליך האופטימיזציה הזה, שכן התקנה לא נכונה יכולה להשפיע באופן משמעותי על דיוק המדידות. תנאי תקלה שונים (כגון בועות, חלקיקים מוצקים) מדומים בסימולציה כדי להעריך את השפעתם על ביצועי מד הזרימה. במהלך תהליך הניסוי, יש להתייחס לתכונות הפיזיקליות של הנוזל (כגון טמפרטורה ולחץ), שכן תכונות אלו משפיעות על מהירות התפשטות הגל האולטראסוני. בנוסף, רעש והפרעות בסביבה האמיתית עלולים להשפיע על איכות האות האולטראסוני, מה שמצריך גם אופטימיזציה של אלגוריתמי עיבוד אותות באמצעות סימולציות וניסויים.

ניתוח סימולציה מולטיפיזיקה של COMSOL

אם לוקחים את תוכנת COMSOL Multiphysics 5.6 כדוגמה לבניית מודל וניתוח סימולציה, סימולציות יכולות לנתח את ההשפעה של זוויות שונות, חומרי צינור, קוטרי צינור, תדרים קוליים ושיטות התקנה על התפשטות גל קולי. הדיאגרמה הסכמטית של מודל מדידת הזרימה האולטסונית מוצגת באיור 3.6. כדי לשפר את היעילות החישובית של פתרון המודל התלת-ממדי, אנו משתמשים בדרך כלל בסימטריה כדי לדמות חצי מהערוץ כדי לייצג את המודל כולו. במהלך תהליך בניית הדגם, יש לקחת בחשבון את ההשפעה של חומרי צינור שונים על זווית השבירה האולטראסונית, כמו גם את מרחקי התזוזה האופקיים השונים של שני המתמרים המותקנים בקטרים שונים של צינור.

Schematic Diagram of Ultrasonic Flow Measurement Model Construction

איור 3.6 תרשים סכמטי של בניית מודל מדידת זרימה על-קולית

שיטות התקנת מתמר

כדי לעמוד בדרישות הכלליות למדידת קוטרי צינורות שונים, יש להשתמש בתדרי עבודה שונים של מתמרים קוליים ושיטות שונות להתקנת מתמרים במדידת זרימה קולית. המהדק על סוג מד זרימה קולימציעה יתרונות מיוחדים בהקשר זה, שכן היא מאפשרת התקנה לא-פולשנית ללא צורך בחיתוך צינור או השבתת תהליך. שיטות התקנה נפוצות כוללות V-shape, Z-shape, N-shape ו-W-shape. כדי לחקור את ההשפעה של שיטות התקנת מתמר שונות על אותות התפשטות גל קולי, יש צורך לבצע מחקר בנושא. מאמר זה משתמש בעיקר בסימולציית מודלים של שיטת התקנת מתמר Z-צורה כדוגמה להדגמה.

שיטת גלרקין בלתי רציפה וחלוקת רשת

ב-COMSOL Multiphysics 5.6, נעשה שימוש במודול הממשק "משוואת הסעה, תחום זמן מפורש", וכברירת מחדל, הוא מהווה חלק מהנוסחה עם פונקציות קוורטיות. לפתרון בעיות גל, שיטת Galerkin Discontinuous הוכחה כשיטה יעילה. שיטת Galerkin Discontinuous מפשטת את בעיית חלוקת הרשת במודלים גדולים, מאפשרת שימוש ברשתות טטרהדרליות חופשיות בגודל חצי-אורך גל, ולבסוף פותרת את המודל כולו. בחלוקת הרשת בפועל, אנו בדרך כלל מגדירים את גודל רכיב הרשת לכל ערך שבין חצי אורך גל לשני- שליש אורך גל כדי לקבל רזולוציה מרחבית מתאימה. בעת שימוש בפותר הדומיין המפורש-, גודל שלב הזמן הפנימי נשלט בקפדנות על ידי תוכנת COMSOL, כך שאלמנט הרשת הקטן ביותר במודל שולט על שלב הזמן. בעת הגדרת רכיבי רשת טטרהדרלים חופשיים, יש לשלוט בגדלים המרביים והמינימליים של האלמנטים. ב-COMSOL Multiphysics 5.6, עבור ממשק הזמן המפורש של-דומיין "משוואת הסעה", שלב הזמן הפנימי נבחר אוטומטית על סמך רמת החידוד והמאפיינים הפיזיים של הרשת. איור 3.7 מציג את חלוקת הרשת לחקר מהירות זרימת רקע ואקוסטיקה בשיטת ההתקנה Z-צורת צורת Z.

Grid Division for Studying Background Flow Velocity and Acoustics at Different Times

(א) מהירות זרימת רקע (ב) אקוסטיקה

איור 3.7 חלוקת רשת ללימוד מהירות זרימת רקע ואקוסטיקה בזמנים שונים

תצורת שדה פיזי

לאחר בניית המודל, יש להגדיר שדות פיזיים. תחום הנוזל בצנרת מוגדר כשדה פיזי של זרימה למינרית או סוערת כדי לדמות את הנוזל בצינור במהלך השימוש בפועל; תחום הנוזל בצינור, הצינור והמתמרים משני צדי הצינור מוגדרים כשדה הפיזי "משוואת הסעה, תחום זמן מפורש" כדי לדמות התפשטות של גלים קוליים. בהגדרת השדה הפיזי "משוואת הסעה, תחום זמן מפורש", קצוות הצינור מוגדרים כגבולות עכבה כדי לקצץ את החישוב. בסימולציות למינריות או סוערות, כניסת הנוזל נמצאת בצד שמאל, ויציאת הנוזל בצד ימין. אלחגור רצועהמד זרימה קוליהתצורה נקבעת עם משדר קולי המותקן בצד התחתון של הצינור, ומקלט המותקן בצד העליון. מהירות נורמלית מופעלת בקצה המשדר כדי לפלוט גלים קוליים.

מידול וניתוח מצב נוזלים

בעת שימוש בתוכנת COMSOL Multiphysics 5.6 עבור סימולציות של מדידת זרימה קולית, יש לעצב ולנתח תחילה את מצב הנוזל בצנרת. ניקח כדוגמה צינור PVC בקוטר חיצוני של 15 מ"מ ועובי דופן של 0.75 מ"מ, בוצעו הדמיות למינריות וטורבולנטיות. הדמיות אלו חיוניות להבנת כיצדרצועה קולית על מד זרימהפועל בתנאי זרימה שונים. הדמיית זרימה למינרית משתמשת במודול "זרימה למינרית" ב-COMSOL Multiphysics 5.6 להגדרת שדה פיזי, והדמיית זרימה סוערת משתמשת במודול "זרימה טורבולנטית, k-ω". איור 3.8 מציג את גודל מהירות זרימת הרקע בתנאים למינרים וסוערים.

מאיור 3.8 ניתן לראות כי בתנאי זרימה למינרית, מהירות הזרימה בכל חלק של הצינור כמעט אחידה, קרובה למהירות הזרימה הממוצעת של נוזל הרקע. לפי התרשים, הצבע העמוק יותר במרכז הצינור מצביע על מהירות זרימה גבוהה יותר.

Magnitude of Background Flow Velocity Under Different Fluid States

(א) זרימה למינרית (ב) זרימה טורבולנטית

איור 3.8 גודל מהירות זרימת רקע תחת מצבי נוזלים שונים

ניתוח מהירות זרימת רקע

כדי להציג בצורה ברורה יותר את מהירות הזרימה בכל חלק של הצינור, נבחר קטע מהצינור כדי לשרטט את עקומת מהירות הזרימה ברקע. איור 3.9 מציג את עקומות מהירות הזרימה ברקע בתנאי זרימה למינרית וסוערת.

עבור צינור PVC בקוטר חיצוני של 15 מ"מ ועובי דופן של 0.75 מ"מ, בוצע ניתוח סימולציה. תוצאות הסימולציה באמצעות מודול "זרימה למינרית" מוצגות באיור 3.9(א). ניתן לראות שבמצב זרימה למינרית, מעבר מהירות הזרימה מתרחש רק בטווח של 5 מ"מ על פני הצינור, בעוד שמהירות הזרימה במקומות אחרים היא כ-10 מ"ש, מה שמעיד על כך שהנוזל חווה פיגור זרימה ליד דופן הצינור עקב חיכוך הצינור. לעומת זאת, תוצאות הסימולציה באמצעות מודול "זרימה טורבולנטית, k-ω" מוצגות באיור 3.9(ב). ניתן לראות כי בתנאי של מהירות זרימה ממוצעת של 10 מ' לשנייה, מהירות הזרימה ליד דופן הצינור היא כ-4.5 מ' לשנייה, ומהירות הזרימה במרכז הצינור יכולה להגיע לכ-12.2 מ' לשנייה, כאשר פיזור מהירות הזרימה יוצרת צורה פרבולית.

Laminar Flow