Simulationsstudie des Ultraschall-Durchflussmessers mit externer Klemme
Die Simulationsstudie des ÄußerenfestklemmenUltraschall-Durchflussmesserbeinhaltet die Modellierung und Simulation des Funktionsprinzips und der Leistung des Durchflussmessers, um sein Design zu optimieren, die Messgenauigkeit zu verbessern oder seine Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten.
Numerische Simulationsmodellierung
Numerische Simulationsmodelle werden angewendet, um mathematische Modelle für die Fluidströmung und die Ausbreitung von Ultraschallwellen zu erstellen, einschließlich Gleichungen für die Fluiddynamik und akustische Gleichungen. Zur Modellierung des Flüssigkeitsstroms werden CFD-Tools (Computational Fluid Dynamics) verwendet. Mit diesen Werkzeugen können Turbulenzen, Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen usw. simuliert und die Auswirkungen der Ausbreitung von Ultraschallwellen analysiert werden. Basierend auf CFD wird eine akustische Analyse durchgeführt, um die Ausbreitung und Reflexion des Ultraschallsignals zu simulieren. Um dies zu vervollständigen, kann Akustiksimulationssoftware (wie das Akustikmodul in COMSOL Multiphysics) verwendet werden. Eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) der Ultraschallsensorstruktur wird durchgeführt, um deren Leistung unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen. FEA hilft bei der Analyse der Auswirkungen von Wärmeausdehnung, Vibration usw. auf Messergebnisse. Der Kontakt zwischen Sensor und Rohrleitung wird in der Simulation berücksichtigt, um seinen Einfluss auf die Ultraschallübertragung zu bewerten.
Laborverifizierung und -optimierung
Im Labor wird ein Strömungsprüfstand zur tatsächlichen Strömungsmessung eingesetzt und die Ergebnisse mit den Simulationsergebnissen verglichen, um die Genauigkeit des Simulationsmodells zu überprüfen. Parameter des Simulationsmodells werden basierend auf experimentellen Ergebnissen angepasst, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern. Durch Simulation werden die Position, das Vorrichtungsdesign und die Installationsmethode des Sensors optimiert, um die Messgenauigkeit und -stabilität zu verbessern. Folgend richtigInstallationsrichtlinien für Ultraschall-Durchflussmesserist bei diesem Optimierungsprozess von entscheidender Bedeutung, da eine fehlerhafte Installation die Genauigkeit der Messungen erheblich beeinträchtigen kann. In der Simulation werden verschiedene Fehlerzustände (z. B. Blasen, Feststoffpartikel) simuliert, um deren Auswirkungen auf die Leistung des Durchflussmessers zu bewerten. Während des experimentellen Prozesses müssen die physikalischen Eigenschaften des Fluids (wie Temperatur und Druck) berücksichtigt werden, da diese Eigenschaften die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen beeinflussen. Darüber hinaus können Rauschen und Interferenzen in der realen Umgebung die Qualität des Ultraschallsignals beeinträchtigen, was ebenfalls eine Optimierung der Signalverarbeitungsalgorithmen durch Simulationen und Experimente erfordert.
COMSOL Multiphysics Simulationsanalyse
Am Beispiel der Software COMSOL Multiphysics 5.6 für die Modellkonstruktion und Simulationsanalyse können Simulationen den Einfluss verschiedener Winkel, Rohrleitungsmaterialien, Rohrdurchmesser, Ultraschallfrequenzen und Installationsmethoden auf die Ausbreitung von Ultraschallwellen analysieren. Das schematische Diagramm des Ultraschall-Durchflussmessmodells ist in Abbildung 3.6 dargestellt. Um die Recheneffizienz der 3D-Modelllösung zu verbessern, verwenden wir normalerweise Symmetrie, um die Hälfte des Kanals zu simulieren, um das gesamte Modell darzustellen. Bei der Modellkonstruktion sollte der Einfluss unterschiedlicher Rohrleitungsmaterialien auf den Ultraschallbrechungswinkel sowie die unterschiedlichen horizontalen Verschiebungsabstände der beiden bei unterschiedlichen Rohrdurchmessern installierten Wandler berücksichtigt werden.
Abbildung 3.6 Schematische Darstellung des Modellaufbaus zur Ultraschall-Durchflussmessung
Methoden zur Wandlerinstallation
Um die allgemeinen Anforderungen für die Messung unterschiedlicher Rohrdurchmesser zu erfüllen, sollten bei der Ultraschall-Durchflussmessung unterschiedliche Arbeitsfrequenzen von Ultraschallwandlern und unterschiedliche Methoden zur Wandlerinstallation verwendet werden. DerClamp-On-Ultraschall-Durchflussmesserbietet in dieser Hinsicht besondere Vorteile, da es eine nicht-invasive Installation ermöglicht, ohne dass Rohre durchtrennt oder der Prozess abgeschaltet werden muss. Zu den gängigen Installationsmethoden gehören V--Form, Z--Form, N--Form und W--Form. Um die Auswirkungen verschiedener Wandlerinstallationsmethoden auf Ultraschallwellenausbreitungssignale zu untersuchen, müssen entsprechende Untersuchungen durchgeführt werden. In diesem Artikel wird hauptsächlich die Modellierungssimulation der Z--förmigen Wandlerinstallationsmethode als Beispiel für die Demonstration verwendet.
Diskontinuierliche Galerkin-Methode und Gitterteilung
In COMSOL Multiphysics 5.6 wird das Schnittstellenmodul „Convection Equation, Time Domain Explicit“ verwendet und ist standardmäßig Teil der Formel mit quartischen Funktionen. Zur Lösung von Wellenproblemen hat sich die diskontinuierliche Galerkin-Methode als effiziente Methode erwiesen. Die diskontinuierliche Galerkin-Methode vereinfacht das Gitterteilungsproblem in großen Modellen, ermöglicht die Verwendung freier tetraedrischer Gitter mit einer halben -Wellenlänge und löst schließlich das gesamte Modell. Bei der eigentlichen Rasterteilung stellen wir die Rasterelementgröße normalerweise auf einen beliebigen Wert zwischen einer halben Wellenlänge und zwei-Dritteln einer Wellenlänge ein, um eine angemessene räumliche Auflösung zu erhalten. Bei Verwendung des expliziten Zeitbereichslösers wird die interne Zeitschrittgröße streng von der COMSOL-Software gesteuert, sodass das kleinste Gitterelement im Modell den Zeitschritt steuert. Beim Freigeben tetraedrischer Gitterelemente müssen die maximalen und minimalen Elementgrößen kontrolliert werden. In COMSOL Multiphysics 5.6 wird für die explizite Zeitdomänenschnittstelle „Konvektionsgleichung“ der interne Zeitschritt automatisch basierend auf dem Verfeinerungsniveau und den physikalischen Eigenschaften des Gitters ausgewählt. Abbildung 3.7 zeigt die Rasteraufteilung zur Untersuchung der Hintergrundströmungsgeschwindigkeit und der Akustik mit der Z--förmigen Installationsmethode.
(a) Hintergrundströmungsgeschwindigkeit (b) Akustik
Abbildung 3.7 Gitterteilung zur Untersuchung der Hintergrundströmungsgeschwindigkeit und der Akustik zu verschiedenen Zeiten
Physikalische Feldkonfiguration
Nachdem das Modell erstellt wurde, müssen physikalische Felder festgelegt werden. Der Flüssigkeitsbereich in der Rohrleitung wird als physikalisches Feld mit laminarer oder turbulenter Strömung eingestellt, um die Flüssigkeit in der Rohrleitung während des tatsächlichen Einsatzes zu simulieren. Der Flüssigkeitsbereich in der Rohrleitung, die Rohrleitung und die Wandler auf beiden Seiten der Rohrleitung werden als physikalisches Feld „Konvektionsgleichung, Zeitbereich explizit“ eingestellt, um die Ausbreitung von Ultraschallwellen zu simulieren. Im physikalischen Feldaufbau „Konvektionsgleichung, Zeitbereich explizit“ werden die Enden der Pipeline als Impedanzgrenzen definiert, um die Berechnung zu kürzen. Bei laminaren oder turbulenten Simulationen befindet sich der Flüssigkeitseinlass links und der Flüssigkeitsauslass rechts. AanschnallenUltraschall-DurchflussmesserDie Konfiguration besteht aus einem Ultraschallsender, der auf der Unterseite der Rohrleitung installiert ist, und einem Empfänger, der auf der Oberseite installiert ist. Am Senderende wird eine Normalgeschwindigkeit angelegt, um Ultraschallwellen auszusenden.
Modellierung und Analyse des Fluidzustands
Bei der Verwendung der Software COMSOL Multiphysics 5.6 für Ultraschall-Durchflussmessungssimulationen muss zunächst der Flüssigkeitszustand in der Rohrleitung modelliert und analysiert werden. Am Beispiel eines PVC-Rohrs mit einem Außendurchmesser von 15 mm und einer Wandstärke von 0,75 mm wurden laminare und turbulente Simulationen durchgeführt. Diese Simulationen sind wichtig, um zu verstehen, wie das funktioniertUltraschall-Durchflussmesser zum AnschnallenFunktioniert unter verschiedenen Strömungsbedingungen. Die laminare Strömungssimulation verwendet das Modul „Laminar Flow“ in COMSOL Multiphysics 5.6 für den physikalischen Feldaufbau und die turbulente Strömungssimulation verwendet das Modul „Turbulent Flow, k-ω“. Abbildung 3.8 zeigt die Größe der Hintergrundströmungsgeschwindigkeit unter laminaren und turbulenten Bedingungen.
Aus Abbildung 3.8 ist ersichtlich, dass unter laminaren Strömungsbedingungen die Strömungsgeschwindigkeit in jedem Teil der Rohrleitung nahezu gleichmäßig ist und nahe an der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit der Hintergrundflüssigkeit liegt. Laut Diagramm weist die tiefere Farbe in der Mitte der Rohrleitung auf eine höhere Strömungsgeschwindigkeit hin.
(a) laminare Strömung (b) turbulente Strömung
Abbildung 3.8 Größe der Hintergrundströmungsgeschwindigkeit unter verschiedenen Flüssigkeitszuständen
Hintergrundströmungsgeschwindigkeitsanalyse
Um die Strömungsgeschwindigkeit in jedem Teil der Rohrleitung deutlicher darzustellen, wurde ein Abschnitt der Rohrleitung ausgewählt, um die Hintergrundströmungsgeschwindigkeitskurve darzustellen. Abbildung 3.9 zeigt die Hintergrundströmungsgeschwindigkeitskurven unter laminaren und turbulenten Strömungsbedingungen.
Für das PVC-Rohr mit einem Außendurchmesser von 15 mm und einer Wandstärke von 0,75 mm wurde eine Simulationsanalyse durchgeführt. Die Simulationsergebnisse mit dem Modul „Laminar Flow“ sind in Abbildung 3.9(a) dargestellt. Es ist ersichtlich, dass im laminaren Strömungszustand der Übergang der Strömungsgeschwindigkeit nur innerhalb eines 5-mm-Bereichs auf der Rohroberfläche auftritt, während die Strömungsgeschwindigkeit an anderen Stellen etwa 10 m/s beträgt, was darauf hindeutet, dass das Fluid aufgrund der Rohrreibung eine Strömungsverzögerung in der Nähe der Rohrwand erfährt. Im Gegensatz dazu sind die Simulationsergebnisse mit dem Modul „Turbulent Flow, k-ω“ in Abbildung 3.9(b) dargestellt. Es ist ersichtlich, dass unter der Bedingung einer durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/s die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Rohrwand etwa 4,5 m/s beträgt und die Strömungsgeschwindigkeit in der Mitte der Rohrleitung etwa 12,2 m/s erreichen kann, wobei die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung eine parabolische Form bildet.
(a) Laminare Strömung
(b) Turbulente Strömung
Abbildung 3.9 Hintergrundströmungsgeschwindigkeitskurven unter verschiedenen Flüssigkeitszuständen
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