- מאת LiuXing, מהנדס מדידת זרימה בכיר עם ניסיון של 15+ שנים במחקר ופיתוח של מד זרימה קולי,

מוסמך בניתוח CFD (ANSYS Fluent Professional)

ערך הנדסי של הכנסת מד זרימה אולטרסאונד סימולציית מבנה צנרת

מדוע יש צורך בטכנולוגיית סימולציה?

בהנדסה, ביצוע ההכנסהמדי זרימה קולייםמושפע באופן משמעותי מתנאי הצנרת. שיטות מסורתיות מסתמכות על ניפוי באגים- חוזר ונשנה באתר, שהוא לא רק יקר אלא עשוי גם לחשוף פגמים בתכנון רק לאחר ההפעלה. הכנסת טכנולוגיית סימולציה שינתה מצב זה, ואיפשרה למהנדסים לזהות ולפתור בעיות פוטנציאליות בשלב התכנון.

הערך המרכזי שלו טמון ב: העברת "עלויות ניסיון-ו-טעויות" מהשטח למחשבים, החלפת ניסויים פיזיים יקרים בחישובים מספריים.

שש בעיות הנדסיות עיקריות שנפתרו באמצעות סימולציה

כיצד לקבוע את מיקום הבדיקה

מהירות הזרימה בצינורות אינה מפוזרת באופן אחיד. מרפקים ושסתומים יוצרים מערבולות מקומיות, והתקנת בדיקות באזורים אלו תוביל לקריאות מעוותות. מהנדסים משתמשים בחישובי מכניקת נוזלים כדי להמחיש וקטורים של מהירות בכל נקודה בצנרת, ובכך בוחרים חתכים יציבים יחסית של שדות זרימה עבור התקנת חיישנים, אשר חיונית לקביעת מקדם תיקון פרופיל זרימה מדויקת (FPCF).

התרגול מראה: הבדלים קלים בזווית נטיית הבדיקה (ברמת 5 מעלות) ישנו את מצב הזרימה באזור המדידה. בדיקה שיטתית של תצורות זווית מרובות כדי למצוא את הפתרון עם מינימום שגיאה היא כמעט בלתי מעשית בניסויים פיזיים, אך ניתן להשלים ניתוח חישובי תוך ימים, תוך התחשבות בהשפעות של בליטת מתמר ושקע.

איפה צוואר הבקבוק של הדיוק

מדידה אולטרסאונד מסתמכת על עקרון "הפרש הזמן", ושינויים בפרמטרים של נוזל (טמפרטורה, לחץ, הרכב) כולם משפיעים על מהירות הקול. נוסחאות אמפיריות פשוטות קשות לכסות את כל תנאי ההפעלה, במיוחד כאשר עומדים בדרישות דיוק העברת המשמורת.

סימולציה מבססת את קשר המיפוי בין פרמטרי קלט וסטיית מדידה באמצעות ניתוח תלות מספרים של ריינולדס. לדוגמה, כאשר טמפרטורת הנוזל משתנה ±10 מעלות, כמה משתנה מהירות הקול? איך השינוי הזה מתורגם לשגיאת זרימה? בעזרת נתונים כמותיים אלה, ניתן לעצב אלגוריתמים יעילים לפיצוי טמפרטורה.

כיצד לטפל במצבי זרימה מורכבים

מודל הזרימה הלמינרית בספרי לימוד מופיע רק לעתים רחוקות בצינורות ממשיים. מערבולות, זרימה משנית ואפילו זרימת גז-דו-פאזית- גורמים לפרופילי מהירות לסטות חמורות ממצבים אידיאליים. דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) יכולה לשחזר תופעות מורכבות אלו. מקרים הנדסיים מראים: הטיית מהירות משמעותית עדיין קיימת 15 קוטרי צינור במורד הזרם של עיקול מסוים של 90 מעלות. מבלי להבין זאת, זרימה המחושבת על פי הנחות שדה זרימה סטנדרטיות עשויה לסטות במספר נקודות אחוז, במיוחד להשפיע על אולטרסאונד רב-מסלולימד זרימהדיוק אינטגרציה.

אופטימיזציה של נתיב התפשטות גל אקוסטי

גלים אולטראסוניים נתקלים בהפרעות כגון השתקפויות של דופן הצינור, פיזור ריתוך וחוסר אחידות- בינונית במהלך התפשטות. ההשפעה המצטברת של גורמים אלה עלולה להחליש את עוצמת האות או להכניס רעש.

הדמיה אקוסטית באמצעות טכניקות סימולציה של מעקב אחר קרניים אקוסטיות חושפת את המסלול האמיתי של אלומות בתוך צינורות. כמה תצורות גיאומטריות מייצרות "אזורי צל אקוסטיים", וכתוצאה מכך לאותות מתקבלים חלשים ביותר; לתצורות אחרות, למרות שיש להן אותות חזקים, יש אפקטים מרובי נתיבים הגורמים לעיוות של צורות גל. באמצעות ניתוח השוואתי, המהנדסים יכולים לבחור את ערכת הסידור עם יחס אות-ל- אופטימלי.

הבטחת ביצועים תחת אילוצי התקנה

מפרטים סטנדרטיים דורשים בדרך כלל 20 קוטרי צינור של קטע צינור ישר במעלה הזרם, אך תנאי שטח לרוב אינם יכולים לעמוד בדרישה זו. עלויות שינוי צנרת עשויות להגיע למאות אלפי דולרים.

סימולציה מספקת הערכת היתכנות עבור "התקנה לא-סטנדרטית". על ידי חישוב מידת התאוששות שדה הזרימה באורכי קטעי צינור ישרים שונים, בשילוב עם פיצוי תצורה מרובה-נתיביםטֶכנוֹלוֹגִיָהבאמצעות שיטת האינטגרציה של Gauss-Jacobi, ניתן להשיג דיוק מוסמך בחללים עם קוטר של 6-8 צינורות בלבד. זה דורש ניתוח מותאם אישית עבור פרויקטים ספציפיים, במקום פשוט ליישם מפרטים, תוך הבטחת אימות תאימות ל-ISO 17089.

יישום על מדיה מיוחדת

תנאי הפעלה כגון נוזלים-בצמיגות גבוהה, תמיסות המכילות חלקיקים מוצקים וגזי לחץ-בטמפרטורה גבוהה- גבוהים הם בעלי מאפייני זרימה שונים באופן משמעותי מנוזלים רגילים. התקנת פריחה עלולה להוביל לנזק לציוד או לכשל במדידה.

הדמיה מאפשרת בדיקת תנאים קיצוניים בסביבות וירטואליות. לדוגמה, חישוב האם כוח ההשפעה של זרימת גז במהירות גבוהה-על הגשש יגרום לתהודה מבנית באמצעות חיזוי תדירות שפיכת מערבולת; או ניתוח האם תדירות הפגיעה של החלקיקים תאיץ את שחיקת החיישן. מידע זה מנחה את בחירת החומר ותכנון חיזוק מבני.

גבולות היישום הטכני

סימולציה אינה כל יכולה. הדיוק שלו תלוי ב:

• האם המודל המתמטי מכסה תהליכים פיזיקליים אמיתיים
• האם הגדרות תנאי הגבול תואמות למצבים בפועל
• האם משאבי חישוב מספיקים לפתרון מעודן

עבור תופעות זרימה חדשות לחלוטין או תנאי הפעלה קיצוניים, תוצאות הסימולציה זקוקות לאימות נתונים ניסיוניים. עם זאת, סימולציה עדיין יכולה לצמצם מאוד את היקף הניסוי, להתמקד בפרמטרים מרכזיים ולשפר משמעותית את יעילות המחקר והפיתוח.

איור 3.1: מד זרימה אולטראסוני מסוג -הכנסה

איור 3.1 מציג מד זרימה אולטראסוני מסוג הכנסה-. עקרון העבודה שלו הוא התקנת זוג חיישנים קוליים משני צידי הצנרת, והשגת מדידת זרימה מדויקת על ידי זיהוי וחישוב ההפרש בין מהירויות הפולסים האולטראסוניים בזרימה במורד והזרם. במהלך תהליך המדידה, החיישנים משדרים ומקבלים לסירוגין אותות אולטרסאונד בכיוונים מנוגדים. האותות האולטראסוניים מתפשטים מהר יותר בזרימה במורד הזרם מאשר בזרימה במעלה הזרם; כאשר הנוזל נייח, הפרש הזמן הוא אפס. לכן, על ידי מדידת זמן ההתפשטות של גלים קוליים בזרימה במורד הזרם ובמעלה הזרם, ניתן לקבל את הפרש הזמן t. על פי הקשר בין t ומהירות זרימה V, ניתן למדוד בעקיפין את מהירות הזרימה הממוצעת של הנוזל, וניתן לחשב את קצב הזרימה הנפחי Q בהתבסס על שטח החתך הצולבת-.

תכנון תעלות הנוזל צריך לשקול את מהירות זרימת הנוזל ואת טווח הזרימה, כאשר תכנון הצינור צריך להתמקד יותר בטווח מהירות זרימת הנוזל כדי להבטיח את הדיוק של מדידת הזרימה. מהירות זרימת נוזל גבוהה מדי או נמוכה תשפיע בסופו של דבר על מאפייני ההתפשטות של אותות קולי.

מידות הצינור, כלומר הקוטר הפנימי של הצינור, צריכים להתאים לקוטר הפנימי של הצינור הנמדד כדי להפחית הפרעה לזרימת הנוזלים ובכך להימנע מהשפעה על תוצאות המדידה הסופיות. מבנה התמיכה במבנה הצינור צריך לבחור חומרים עמידים- בפני קורוזיה ובלאי- כדי להאריך את חיי השירות; יחד עם זאת, יש צורך בתכנון סביר כדי להבטיח את יציבותו תחת מהירות זרימה גבוהה או לחץ גבוה. המתמר הקולי צריך לבחור סוג מתמר קולי מתאים (כגון סוג גל מונחה או סוג השתקפות) בהתאם לדרישות היישום, ולאחר מכן לבחור מיקום מתאים להתקנת המתמר הקולי כדי להבטיח שהאות הקולי יכול לעבור ביעילות דרך כל הצינור.
בנוסף לגורמים שלעיל, מחקר שנערך על ידי Tang Xiaoyu[103] וחוקרים אחרים מאוניברסיטת ג'ג'יאנג כולל גם: בתנאי עיקול של 90 מעלות וכפיפה של 180 מעלות, ההשפעה של התפלגות מהירות זרימה לא -אידיאלית על כל נתיב אקוסטי של מד הזרימה האולטראסוני, במיוחד ההשפעה על מדידת מהירות זרימה ומדידה של דיוק. Zhang Zhijun ו-Zhu Yingsheng[102] וחוקרים אחרים, בהתבסס על מחקר קודם, השתמשו בטכנולוגיית הדמיית CFD כדי לבצע ניתוח סימולציה ב-7 זוויות (במרווחים של 5 מעלות) בין 30 מעלות ל-60 מעלות עבור זוויות התקנת מתמר קולי. התוצאות מראות כי: זוויות התקנה שונות משפיעות על התפלגות מהירות הזרימה בחלק החריץ של הנתיב האקוסטי. במקביל, נותחה השגיאה היחסית בין מהירות הזרימה המדומה למהירות הזרימה האידיאלית, ונקבע כי זווית התקנת המתמר האופטימלית עבור מד זרימת הגז האולטראסוני המתוכנן בקוטר DN80 היא 50 מעלות.

סוג הכנסה-Ultrasonic Flow מדידת צינור סימולציה מחקר

מחקר סימולציה מתייחס לשלושה היבטים:

הדמיית דינמיקה של נוזלים, הדמיית התפשטות קולית והדמיית מכניקה מבנית. באמצעות מודלים של CFD (Computational Fluid Dynamics), ניתן לדמות את זרימת הנוזל בתוך הצינור, ולאחר מכן ניתן לנתח את ההשפעות של גורמים כגון התפלגות מהירות הזרימה וזרימת המערבולת על התפשטות האותות האולטראסוניים. במהלך תהליך הסימולציה יש לבדוק מערבולות אפשריות, בועות וכו' בנוזל כדי להימנע ככל האפשר מהפרעות למדידה קולית.
אם ניקח לדוגמה את ההשפעה של זוויות התקנת מתמר שונות על התפלגות מהירות הזרימה, אם אורך הגוף הכולל של מד הזרימה של הצינור הוא L=230 מ"מ והקוטר הוא D=80 מ"מ. הגדר את זווית התקנת המתמר ל-30 מעלות ~ 60 מעלות, וקבע מודל סימולציה במרווחים של 5 מעלות. זוויות התקנה שונות מוצגות באיור 3.2. כדי להפחית את צריכת זיכרון המחשב ועומס החישובי כאשר תוכנת ANSYS מבצעת סימולציה, ניתן לפשט במידה מסוימת את דגם ה-CFD של מד הזרימה הגז האולטראסוני, רק בהתחשב בהקמת הקוטר הפנימי של בית מד הזרימה ודגם המתמר, כאשר השאר מתעלמים זמנית.
הדגם הגיאומטרי מחולק לשלושה חלקים: צינור קדמי, מד זרימה גז קולי וצינור אחורי. ביניהם, הצינורות הקדמיים והאחוריים מאמצים רשת מובנית, מד הזרימה האולטראסוני של הגז האמצעי מאמץ רשת טטרהדרלית, וחיבור משטח ממשק משמש בנקודות החיבור, עם עידון רשת במשטחי החיבור. צינורות היציאה והכניסה הישרים מאמצים רשת מובנית כרשת משושה, עם גודל רשת מרבי מוגדר ל-2, מרווח 1 (מרווח רשת שכבת גבול ראשונה) של 1.5, יחס 1 (קצב גידול רשת שכבת גבול ראשונה) של 2, מרווח 2 (מרווח רשת שכבת גבול שניה, מרווח רשת של שכבת גבול 2, מרווח רשת גבולי 5) ומרווח רשת 5) שיעור) של 2. גודל הרשת המרבי של חלק גוף מד הזרימה הגז האולטראסוני הוא 5; עידון מקומי מוחל על רשת המתמר עם גודל רשת מקסימלי של 1.5; חידוד מקומי מוחל על רשת הממשק, תוך שמירה על גודל הרשת על 2.

איור 3.2 תרשים סכמטי של מתמרים בזוויות התקנה שונות

תרשים תוצאות מיטוב זווית מתמר

בחירה והגדרה של תוכנת סימולציית CFD

ANSYS Fluent נגד COMSOL:מה עדיף להדמיית מד זרימה קולי?
השוואת מודלים של טורבולנס:k-ε vs k-ω SST vs RSM עבור ריינולדס מספר 10⁴-10⁷
קריטריוני איכות רשת:y+ < 1, יחס רוחב-גובה < 100, עיוות < 0.85

איור 3.3: מודל מודלים

בשל שיפוע המהירות הגדול בסמוך לפני הקיר, מאמצים עידון של רשת שכבת הגבול, תוך שימוש בחוק צמיחה אקספוננציאלי, כאשר גובה התחלתי (גובה התחלתי) מוגדר ל-0.1, יחס גובה (יחס של כל שכבת גבול) של 1.2, מספר שכבות (מספר שכבות גבול) של (3 שכבות גבול) וגובה כולל של 0 שכבות. ספירת הרשת הכוללת הסופית היא כ-1.5 מיליון. אם לוקחים את זווית התקנת מתמר DN80 עם ארבע-נתיבים של 50 מעלות כדוגמה, תוצאת חלוקת הרשת מוצגת באיור 3.3.

איור 3.4: מפות קווי מתאר של מהירות במהירות זרימת כניסה של 10 מ'/שניה, זוויות התקנה של 50 מעלות ו-30 מעלות

כדי להבין טוב יותר את חלוקת הנוזלים בתוך הצינור בזוויות התקנה שונות, ניקח את שני המקרים של זוויות התקנה של 30 מעלות ו-50 מעלות כדוגמאות, כאשר מהירות זרימת הכניסה היא 10 מ'/שניה, מפות קווי המתאר של הנתיבים 1 ו-3 מוצגות באיור 3.4.

צור קשר עם צוות ההנדסה שלנו עוד היום להערכת היתכנות חינם של תנאי הצנרת ודרישות המדידה שלך.