Simulacijska študija ultrazvočnega merilnika pretoka z zunanjo objemko
Simulacija študije zunanjegavpetiultrazvočni merilnik pretokavključuje modeliranje in simulacijo delovnega principa in zmogljivosti merilnika pretoka za optimizacijo njegove zasnove, izboljšanje merilne natančnosti ali ovrednotenje njegove učinkovitosti v različnih pogojih delovanja.
Numerično simulacijsko modeliranje
Numerično simulacijsko modeliranje se uporablja za vzpostavitev matematičnih modelov za tok tekočine in širjenje ultrazvočnih valov, vključno z enačbami dinamike tekočin in akustičnimi enačbami. Orodja za računalniško dinamiko tekočin (CFD) se uporabljajo za modeliranje toka tekočine. Ta orodja lahko simulirajo turbulenco, porazdelitev hitrosti toka itd. in analizirajo vpliv širjenja ultrazvočnih valov. Na podlagi CFD se izvede akustična analiza za simulacijo širjenja in odboja ultrazvočnega signala. Za dokončanje tega lahko uporabite programsko opremo za akustično simulacijo (kot je akustični modul v COMSOL Multiphysics). Analiza končnih elementov (FEA) strukture ultrazvočnega senzorja se izvaja za razumevanje njegove učinkovitosti v različnih pogojih. FEA pomaga analizirati učinke toplotnega raztezanja, vibracij itd. na rezultate meritev. Stik med senzorjem in cevovodom je upoštevan v simulaciji, da se oceni njegov učinek na ultrazvočni prenos.
Laboratorijska verifikacija in optimizacija
V laboratoriju se za dejanske meritve pretoka uporablja preskusna naprava za pretok, rezultati pa se primerjajo z rezultati simulacije, da se preveri točnost simulacijskega modela. Parametri simulacijskega modela so prilagojeni na podlagi eksperimentalnih rezultatov za izboljšanje natančnosti napovedi. S simulacijo so položaj senzorja, zasnova vpenjala in način namestitve optimizirani za izboljšanje natančnosti in stabilnosti meritev. Po pravilnemobjemka na smernicah za namestitev ultrazvočnega merilnika pretokaje ključnega pomena med tem procesom optimizacije, saj lahko nepravilna namestitev bistveno vpliva na točnost meritev. V simulaciji se simulirajo različni pogoji napak (kot so mehurčki, trdni delci), da se oceni njihov vpliv na delovanje merilnika pretoka. Med eksperimentalnim procesom je treba upoštevati fizikalne lastnosti tekočine (kot sta temperatura in tlak), saj te lastnosti vplivajo na hitrost širjenja ultrazvočnih valov. Poleg tega lahko šum in motnje v realnem okolju vplivajo na kakovost ultrazvočnega signala, kar zahteva tudi optimizacijo algoritmov za obdelavo signalov s simulacijami in eksperimenti.
COMSOL Multiphysics Simulation Analysis
Če vzamemo programsko opremo COMSOL Multiphysics 5.6 kot primer za izdelavo modela in analizo simulacije, lahko simulacije analizirajo vpliv različnih kotov, materialov cevovodov, premerov cevi, ultrazvočnih frekvenc in metod namestitve na širjenje ultrazvočnih valov. Shematski diagram modela ultrazvočnega merjenja pretoka je prikazan na sliki 3.6. Za izboljšanje računalniške učinkovitosti rešitve 3D modela običajno uporabimo simetrijo za simulacijo polovice kanala, ki predstavlja celoten model. Med postopkom izdelave modela je treba upoštevati vpliv različnih materialov cevovoda na ultrazvočni lomni kot, kot tudi različne razdalje vodoravnega premika za dva pretvornika, nameščena pod različnima premeroma cevi.
Slika 3.6 Shematski diagram konstrukcije modela ultrazvočnega merjenja pretoka
Metode namestitve pretvornika
Da bi izpolnili splošne zahteve za merjenje različnih premerov cevi, je treba pri ultrazvočnem merjenju pretoka uporabiti različne delovne frekvence ultrazvočnih pretvornikov in različne načine namestitve pretvornikov. Thesponka na ultrazvočnem merilniku pretokav zvezi s tem nudi posebne prednosti, saj omogoča ne-invazivno namestitev brez rezanja cevi ali zaustavitve procesa. Pogosti načini namestitve vključujejo V-obliko, Z-obliko, N-obliko in W-obliko. Za preučevanje vpliva različnih načinov namestitve pretvornika na signale širjenja ultrazvočnih valov je potrebno izvesti sorodne raziskave. Ta članek kot primer za predstavitev uporablja predvsem simulacijo modeliranja metode namestitve pretvornika v obliki črke Z.
Diskontinuirana Galerkinova metoda in delitev mreže
V COMSOL Multiphysics 5.6 je uporabljen vmesniški modul "Convection Equation, Time Domain Explicit" in je privzeto del formule s kvartnimi funkcijami. Za reševanje valovnih problemov se je izkazala kot učinkovita diskontinuirana Galerkinova metoda. Diskontinuirana Galerkinova metoda poenostavlja problem razdelitve mreže v velikih modelih, omogoča uporabo prostih tetraedrskih mrež s polovično-velikostjo valovne dolžine in na koncu reši celoten model. V dejanski razdelitvi mreže običajno nastavimo velikost elementa mreže na katero koli vrednost med polovico valovne dolžine in dve-tretjinama valovne dolžine, da dobimo ustrezno prostorsko ločljivost. Pri uporabi eksplicitnega reševalnika časovne{7}}domene velikost notranjega časovnega koraka strogo nadzoruje programska oprema COMSOL, tako da najmanjši mrežni element v modelu nadzoruje časovni korak. Pri postavljanju prostih elementov tetraedrske mreže je treba nadzorovati največje in najmanjše velikosti elementov. V COMSOL Multiphysics 5.6 je za eksplicitni vmesnik časovne{11}}domene »Konvekcijska enačba« interni časovni korak samodejno izbran na podlagi stopnje natančnosti mreže in fizičnih lastnosti. Slika 3.7 prikazuje razdelitev mreže za preučevanje hitrosti toka v ozadju in akustike z uporabo metode namestitve oblike Z-.
(a) Hitrost toka v ozadju (b) Akustika
Slika 3.7 Razdelitev mreže za preučevanje hitrosti toka ozadja in akustike v različnih časih
Konfiguracija fizičnega polja
Ko je model izdelan, je treba nastaviti fizična polja. Domena tekočine v cevovodu je nastavljena kot fizično polje laminarnega ali turbulentnega toka za simulacijo tekočine v cevovodu med dejansko uporabo; tekoča domena v cevovodu, cevovod in pretvorniki na obeh straneh cevovoda so nastavljeni kot fizično polje "konvekcijska enačba, eksplicitna časovna domena" za simulacijo širjenja ultrazvočnih valov. V nastavitvi fizičnega polja "Konvekcijska enačba, eksplicitna časovna domena" so konci cevovoda definirani kot impedančne meje za okrnitev izračuna. Pri laminarnih ali turbulentnih simulacijah je dovod tekočine na levi, izhod tekočine pa na desni. Apripni seultrazvočni merilnik pretokaKonfiguracija je vzpostavljena z ultrazvočnim oddajnikom, nameščenim na spodnji strani cevovoda, in sprejemnikom, nameščenim na zgornji strani. Na koncu oddajnika se uporablja normalna hitrost za oddajanje ultrazvočnih valov.
Modeliranje in analiza stanja tekočin
Pri uporabi programske opreme COMSOL Multiphysics 5.6 za ultrazvočne simulacije merjenja pretoka je treba najprej modelirati in analizirati stanje tekočine v cevovodu. Na primeru PVC cevi z zunanjim premerom 15 mm in debelino stene 0,75 mm smo izvedli laminarne in turbulentne simulacije. Te simulacije so bistvene za razumevanje, kakoultrazvočni trak na merilniku pretokadeluje pod različnimi pretočnimi pogoji. Simulacija laminarnega toka uporablja modul »Laminar Flow« v COMSOL Multiphysics 5.6 za nastavitev fizičnega polja, simulacija turbulentnega toka pa uporablja modul »Turbulent Flow, k-ω«. Slika 3.8 prikazuje velikost hitrosti toka v ozadju v laminarnih in turbulentnih pogojih.
Iz slike 3.8 je razvidno, da je v pogojih laminarnega toka hitrost toka v vsakem delu cevovoda skoraj enakomerna, blizu povprečne hitrosti toka tekočine v ozadju. Glede na diagram globlja barva v sredini cevovoda kaže večjo hitrost pretoka.
(a) Laminarni tok (b) Turbulentni tok
Slika 3.8 Velikost hitrosti toka v ozadju pri različnih stanjih tekočine
Analiza hitrosti toka v ozadju
Za jasnejši prikaz hitrosti pretoka v vsakem delu cevovoda je bil izbran odsek cevovoda za izris krivulje hitrosti pretoka v ozadju. Slika 3.9 prikazuje krivulje hitrosti toka v ozadju v pogojih laminarnega in turbulentnega toka.
Za PVC cev z zunanjim premerom 15 mm in debelino stene 0,75 mm je bila izvedena simulacijska analiza. Rezultati simulacije z uporabo modula "Laminarni tok" so prikazani na sliki 3.9(a). Vidimo lahko, da v stanju laminarnega toka pride do prehoda hitrosti toka le v območju 5 mm na površini cevi, medtem ko je hitrost toka na drugih lokacijah približno 10 m/s, kar kaže, da tekočina doživlja zamik toka v bližini stene cevi zaradi trenja cevi. Nasprotno pa so rezultati simulacije z uporabo modula "Turbulent Flow, k-ω" prikazani na sliki 3.9(b). Vidimo, da je pod pogojem povprečne hitrosti toka 10 m/s hitrost toka ob steni cevi približno 4,5 m/s, hitrost toka v središču cevovoda pa lahko doseže približno 12,2 m/s, pri čemer porazdelitev hitrosti toka tvori parabolično obliko.
(a) Laminarni tok
(b) Turbulentni tok
Slika 3.9 Krivulje hitrosti toka v ozadju pri različnih stanjih tekočine
Morda vas bodo zanimale tudi te teme.
