- От LiuXing, старши инженер по измерване на потока с 15+ години опит в изследователската и развойната дейност на ултразвуковия разходомер,

сертифициран в CFD анализ (ANSYS Fluent Professional)

Инженерна стойност на симулация на структурата на тръбопровода с вмъкнат ултразвуков разходомер

Защо е необходима симулационната технология?

В практическото инженерство изпълнението на вмъкванетоултразвукови разходомерисе влияе значително от условията на тръбопровода. Традиционните методи разчитат на многократно-отстраняване на грешки на сайта, което не само е скъпо, но също така може да разкрие дефекти в дизайна едва след въвеждане в експлоатация. Въвеждането на симулационна технология промени тази ситуация, позволявайки на инженерите да идентифицират и разрешават потенциални проблеми на етапа на проектиране.

Основната му стойност се крие в: прехвърляне на „разходи за-и-грешки“ от полето към компютри, замяна на скъпи физически експерименти с числени изчисления.

Шест основни инженерни проблема, решени чрез симулация

Как да определите позицията на сондата

Скоростта на потока в тръбопроводите не е равномерно разпределена. Колената и клапаните създават локални вихри и инсталирането на сонди в тези зони ще доведе до изкривени показания. Инженерите използват изчисления по механика на флуидите, за да визуализират векторите на скоростта във всяка точка на тръбопровода, като по този начин избират относително стабилни напречни-сечения на полето на потока за инсталиране на сензора, което е от съществено значение за точното определяне на коригиращия фактор на профила на потока (FPCF).

Практиката показва: незначителни разлики в ъгъла на наклона на сондата (на ниво от 5 градуса) ще променят състоянието на потока в зоната на измерване. Систематичното тестване на множество ъглови конфигурации, за да се намери решението с минимална грешка, е почти непрактично при физически експерименти, но изчислителният анализ може да бъде завършен в рамките на дни, като се отчитат ефектите на изпъкналост и вдлъбнатина на преобразувателя.

Къде е тясното място на точността

Ултразвуковото измерване се основава на принципа на "разликата във времето" и всички промени в параметрите на флуида (температура, налягане, състав) влияят върху скоростта на звука. Простите емпирични формули са трудни за покриване на всички работни условия, особено когато отговарят на изискванията за точност на попечителския трансфер.

Симулацията установява връзката на картографиране между входните параметри и отклонението на измерването чрез анализ на зависимостта на числото на Рейнолдс. Например, когато температурата на течността варира с ±10 градуса, колко се променя скоростта на звука? Как тази промяна се превръща в грешка на потока? С тези количествени данни могат да се проектират ефективни алгоритми за температурна компенсация.

Как да се справим със сложни състояния на потока

Моделът на ламинарен поток в учебниците рядко се появява в реални тръбопроводи. Турбулентността, вторичният поток и дори двуфазният поток на газ-течност- причиняват сериозни отклонения на профилите на скоростта от идеалните състояния. Изчислителната динамика на флуидите (CFD) може да възпроизведе тези сложни явления. Инженерните случаи показват: все още съществува значително изкривяване на скоростта на 15 диаметъра на тръбата надолу по течението от определен 90-градусов завой. Без разбиране на това, потокът, изчислен според стандартните предположения за полето на потока, може да се отклони с няколко процентни пункта, особено засягайки ултразвуковия многопътен потокразходомерточност на интегриране.

Оптимизиране на пътя на разпространение на акустичната вълна

Ултразвуковите вълни се сблъскват с интерференция, като отражение на стените на тръбата, разсейване на заваръчните шевове и средна не{0}}еднородност по време на разпространение. Кумулативният ефект на тези фактори може да отслаби силата на сигнала или да внесе шум.

Акустичната симулация с помощта на симулационни техники за проследяване на акустични лъчи разкрива действителната траектория на лъчите вътре в тръбопроводите. Някои геометрични конфигурации произвеждат "зони на акустична сянка", което води до изключително слаби получени сигнали; други конфигурации, въпреки че имат силни сигнали, имат многолъчеви ефекти, причиняващи изкривяване на вълновата форма. Чрез сравнителен анализ инженерите могат да изберат схема на подреждане с оптимално съотношение сигнал-към-шум.

Осигуряване на производителност при ограничения за инсталиране

Стандартните спецификации обикновено изискват 20 диаметъра на тръбата на прав участък на тръбата нагоре по веригата, но условията на място често не могат да отговорят на това изискване. Разходите за модификация на тръбопровода могат да достигнат стотици хиляди долари.

Симулацията осигурява оценка на осъществимостта за „не-стандартна инсталация“. Чрез изчисляване на степента на възстановяване на полето на потока при различни дължини на прави тръбни секции, комбинирано с много-конфигурационна компенсациятехнологияс помощта на интеграционния метод на Гаус-Якоби може да се постигне квалифицирана точност в пространства само с 6-8 диаметъра на тръбата. Това изисква персонализиран анализ за конкретни проекти, а не просто прилагане на спецификации, като същевременно се гарантира валидиране на съответствието с ISO 17089.

Приложимост към специални медии

Работни условия като течности с висок-вискозитет, суспензии, съдържащи твърди частици, и високо{1}}температурни газове с високо{2}}налягане имат характеристики на потока, които се различават значително от конвенционалните течности. Небрежното инсталиране може да доведе до повреда на оборудването или повреда на измерването.

Симулацията позволява тестване на екстремни условия във виртуални среди. Например, изчисляване дали ударната сила на високо-скоростния газов поток върху сондата ще предизвика структурен резонанс чрез прогнозиране на честотата на вихрово отделяне; или анализиране дали честотата на удара на частиците ще ускори износването на сензора. Тази информация ръководи избора на материал и проектирането на структурна армировка.

Граници на техническото приложение

Симулацията не е всемогъща. Неговата точност зависи от:

• Дали математическият модел обхваща реални физически процеси
• Дали настройките на граничните условия отговарят на действителните ситуации
• Дали изчислителните ресурси са достатъчни за прецизирано решение

За напълно нови явления на потока или екстремни работни условия резултатите от симулацията се нуждаят от валидиране на експериментални данни. Въпреки това, симулацията все още може значително да стесни експерименталния обхват, да се съсредоточи върху ключови параметри и значително да подобри ефективността на изследванията и разработките.

Фигура 3.1: Ултразвуков разходомер тип вмъкване-

Фигура 3.1 показва често използван ултразвуков разходомер от -тип вмъкване. Неговият принцип на работа е да инсталира чифт ултразвукови сензори от двете страни на тръбопровода и да постигне точно измерване на потока чрез откриване и изчисляване на разликата между скоростите на ултразвуковия импулс в потока надолу и нагоре по течението. По време на процеса на измерване сензорите последователно предават и получават ултразвукови сигнали в противоположни посоки. Ултразвуковите сигнали се разпространяват по-бързо в потока надолу, отколкото в потока нагоре; когато течността е неподвижна, времевата разлика е нула. Следователно чрез измерване на времето за разпространение на ултразвукови вълни в потока надолу и нагоре по течението може да се получи времевата разлика t. Според връзката между t и скоростта на потока V, средната скорост на потока на флуида може да бъде индиректно измерена, а обемният дебит Q може да бъде изчислен въз основа на площта на напречното-сечение на тръбопровода.

Дизайнът на канала за флуид трябва да вземе предвид скоростта на потока на флуида и диапазона на потока, където проектът на тръбопровода трябва да се съсредоточи повече върху диапазона на скоростта на потока на флуида, за да се гарантира точността на измерването на потока. Твърде високата или ниската скорост на потока на течността в крайна сметка ще повлияе на характеристиките на разпространение на ултразвуковите сигнали.

Размерите на тръбопровода, а именно вътрешният диаметър на тръбопровода, трябва да съответстват на вътрешния диаметър на измерения тръбопровод, за да се намалят смущенията в потока на флуида и по този начин да се избегне повлияване на крайните резултати от измерването. Носещата структура в конструкцията на тръбопровода трябва да избере устойчиви-на корозия и износване-материали за удължаване на експлоатационния живот; в същото време е необходим разумен дизайн, за да се гарантира неговата стабилност при висока скорост на потока или високо налягане. Ултразвуковият преобразувател трябва да избере подходящ тип ултразвуков преобразувател (като тип насочена вълна или тип отражение) според изискванията на приложението и след това да избере подходяща позиция за инсталиране на ултразвуковия преобразувател, за да се гарантира, че ултразвуковият сигнал може ефективно да премине през целия тръбопровод.
В допълнение към горните фактори, изследването, проведено от Tang Xiaoyu[103] и други учени от университета Zhejiang, също включва: при условия на завой от 90 градуса и 180 градуса, влиянието на не-идеалното разпределение на скоростта на потока върху всеки акустичен път на ултразвуковия разходомер, особено въздействието върху измерването на скоростта на потока и точността на разходомера. Zhang Zhijun и Zhu Yingsheng[102] и други учени, въз основа на предишни изследвания, използваха CFD симулационна технология за извършване на симулационен анализ на 7 ъгъла (на интервали от 5 градуса) между 30 градуса и 60 градуса за ъгли на инсталиране на ултразвуков преобразувател. Резултатите показват, че: различните ъгли на монтаж влияят върху разпределението на скоростта на потока в жлебната част на акустичния път. В същото време беше анализирана относителната грешка между симулираната скорост на потока и идеалната скорост на потока и беше определено, че оптималният ъгъл на инсталиране на преобразувателя за проектирания газов ултразвуков разходомер с диаметър DN80 е 50 градуса.

Изследване на симулация на тръбопровод с ултразвуково измерване на поток-тип

Симулационното изследване разглежда три аспекта:

Симулация на флуидна динамика, симулация на ултразвуково разпространение и симулация на структурна механика. Използвайки CFD (Computational Fluid Dynamics) модели, потокът на флуида вътре в тръбопровода може да бъде симулиран и след това могат да бъдат анализирани ефектите на фактори като разпределение на скоростта на потока и вихров поток върху разпространението на ултразвуков сигнал. По време на процеса на симулация трябва да се проверят възможни завихряния, мехурчета и т.н. във флуида, за да се избегнат смущения при ултразвуковото измерване, доколкото е възможно.
Като пример вземем влиянието на различните ъгли на монтаж на преобразувателя върху разпределението на скоростта на потока, ако общата дължина на корпуса на разходомера на тръбопровода е L=230 mm и диаметърът е D=80 mm. Задайте ъгъл на инсталиране на сондата на 30 градуса ~60 градуса и създайте симулационен модел на интервали от 5 градуса. Различните ъгли на монтаж са показани на фигура 3.2. За да се намали потреблението на компютърна памет и изчислителното натоварване, когато софтуерът ANSYS извършва симулация, CFD моделът на газовия ултразвуков разходомер може да бъде опростен до известна степен, като се има предвид само установяването на вътрешния диаметър на корпуса на разходомера и модела на преобразувателя, като останалите временно се игнорират.
Геометричният модел е разделен на три части: преден тръбопровод, газов ултразвуков разходомер и заден тръбопровод. Сред тях предните и задните тръбопроводи приемат структурирана мрежа, ултразвуковият разходомер за среден газ приема тетраедрична мрежа, а свързването на повърхността на интерфейса се използва в точките на свързване, с усъвършенстване на мрежата в повърхностите на свързване. Правите тръбопроводи на изхода и входа приемат структурирана мрежа като шестостенна мрежа, с максимален размер на мрежата, зададен на 2, Разстояние1 (разстояние между мрежите на първия граничен слой) от 1,5, Съотношение1 (скорост на растеж на мрежата на първия граничен слой) от 2, Разстояние2 (разстояние на мрежата на втория граничен слой) от 1,5 и Ratio2 (скорост на растеж на мрежата на втория граничен слой) от 2. Максималният размер на окото на тялото на газовия ултразвуков разходомер е 5; локално прецизиране се прилага към мрежата на преобразувателя с максимален размер на мрежата 1,5; локалното усъвършенстване се прилага към мрежата на интерфейса, запазвайки размера на мрежата на 2.

Фигура 3.2 Схематична диаграма на преобразуватели при различни ъгли на монтаж

Диаграма на резултатите от оптимизирането на ъгъла на трансдюсера

Избор и настройка на софтуер за CFD симулация

ANSYS Fluent срещу COMSOL:Кое е по-добро за симулация на ултразвуков разходомер?
Сравнение на модел на турбулентност:k-ε спрямо k-ω SST срещу RSM за числото на Рейнолдс 10⁴-10⁷
Критерии за качество на мрежата:y+ < 1, аспектно съотношение < 100, изкривяване < 0,85

Фигура 3.3: Модел на моделиране

Поради големия градиент на скоростта в близост до повърхността на стената се приема прецизиране на мрежата на граничния слой, като се използва законът за експоненциален растеж, с начална височина (начална височина), зададена на 0,1, коефициент на височина (съотношение на всеки граничен слой) 1,2, брой слоеве (брой гранични слоеве) 3 и обща височина (обща височина на граничните слоеве) 0,7. Окончателният общ брой на мрежата е приблизително 1,5 милиона. Като вземем за пример ъгъл на инсталиране на сондата DN80 с четири-пътя от 50 градуса, резултатът от разделянето на мрежата е показан на Фигура 3.3.

Фигура 3.4: Контурни карти на скоростта при скорост на входния поток от 10 m/s, ъгли на монтаж от 50 градуса и 30 градуса

За по-добро разбиране на разпределението на флуида вътре в тръбопровода при различни ъгли на монтаж, като вземем двата случая на ъгъл на монтаж от 30 градуса и 50 градуса като примери, когато скоростта на входния поток е 10 m/s, контурните карти на скоростта на пътища едно и три са показани на Фигура 3.4.

Свържете се с нашия инженерен екип днес за безплатна оценка на осъществимостта на условията на вашия тръбопровод и изискванията за измерване.