- Von LiuXing, Senior Flow Measurement Engineer mit 15+ Jahren Erfahrung in der Forschung und Entwicklung von Ultraschall-Durchflussmessern,

zertifiziert in CFD-Analyse (ANSYS Fluent Professional)

Technischer Wert der Pipeline-Struktursimulation mit Ultraschall-Durchflussmesser

Warum wird Simulationstechnologie benötigt?

In der praktischen Technik die Leistung des EinfügensUltraschall-Durchflussmesserwird erheblich von den Pipelinebedingungen beeinflusst. Herkömmliche Methoden basieren auf wiederholtem Debuggen vor Ort,-was nicht nur kostspielig ist, sondern auch Designfehler möglicherweise erst nach der Inbetriebnahme aufdeckt. Die Einführung der Simulationstechnologie hat diese Situation geändert und ermöglicht es Ingenieuren, potenzielle Probleme bereits in der Entwurfsphase zu erkennen und zu lösen.

Sein Kernwert liegt darin, „Versuchs- und Fehlerkosten“ vom Feld auf Computer zu übertragen und teure physikalische Experimente durch numerische Berechnungen zu ersetzen.

Sechs große technische Probleme durch Simulation gelöst

So bestimmen Sie die Sondenposition

Die Strömungsgeschwindigkeit in Rohrleitungen ist nicht gleichmäßig verteilt. Bögen und Ventile erzeugen lokale Wirbel, und die Installation von Sonden in diesen Bereichen führt zu verfälschten Messwerten. Ingenieure verwenden strömungsmechanische Berechnungen, um Geschwindigkeitsvektoren an jedem Punkt der Rohrleitung zu visualisieren und wählen so relativ stabile Strömungsfeldquerschnitte für die Sensorinstallation aus, was für die genaue Bestimmung des Strömungsprofilkorrekturfaktors (FPCF) unerlässlich ist.

Die Praxis zeigt: Geringe Unterschiede im Neigungswinkel der Sonde (im 5-Grad-Bereich) verändern den Strömungszustand im Messbereich. Das systematische Testen mehrerer Winkelkonfigurationen, um die Lösung mit minimalem Fehler zu finden, ist in physikalischen Experimenten nahezu unpraktisch, aber die rechnerische Analyse kann innerhalb weniger Tage abgeschlossen werden und dabei die Auswirkungen von Wandlervorsprüngen und -rücksprüngen berücksichtigen.

Wo liegt der Genauigkeitsengpass?

Die Ultraschallmessung basiert auf dem „Zeitdifferenz“-Prinzip und Änderungen der Fluidparameter (Temperatur, Druck, Zusammensetzung) wirken sich alle auf die Schallgeschwindigkeit aus. Es ist schwierig, mit einfachen empirischen Formeln alle Betriebsbedingungen abzudecken, insbesondere wenn die Genauigkeitsanforderungen für den eichpflichtigen Verkehr erfüllt werden.

Die Simulation stellt die Zuordnungsbeziehung zwischen Eingabeparametern und Messabweichung durch eine Reynolds-Zahlenabhängigkeitsanalyse her. Wenn beispielsweise die Flüssigkeitstemperatur um ±10 Grad schwankt, wie stark ändert sich dann die Schallgeschwindigkeit? Wie führt diese Änderung zu einem Flussfehler? Mit diesen quantitativen Daten können effektive Temperaturkompensationsalgorithmen entworfen werden.

Umgang mit komplexen Flusszuständen

Das Laminarströmungsmodell aus Lehrbüchern kommt in tatsächlichen Rohrleitungen selten vor. Turbulenzen, Sekundärströmungen und sogar Gas-Flüssigkeitsströmungen mit zwei-Phasen führen dazu, dass Geschwindigkeitsprofile stark vom Idealzustand abweichen. Computational Fluid Dynamics (CFD) kann diese komplexen Phänomene nachbilden. Technische Fälle zeigen: 15 Rohrdurchmesser stromabwärts einer bestimmten 90-Grad-Kurve besteht immer noch eine erhebliche Geschwindigkeitsschiefe. Ohne dies zu verstehen, kann der anhand der Standardannahmen des Strömungsfelds berechnete Durchfluss um mehrere Prozentpunkte abweichen, was sich insbesondere auf Mehrwege-Ultraschall auswirktDurchflussmesserIntegrationsgenauigkeit.

Optimierung des Ausbreitungspfads akustischer Wellen

Ultraschallwellen stoßen während der Ausbreitung auf Störungen wie Rohrwandreflexionen, Schweißstreuungen und mittlere Ungleichmäßigkeiten. Die kumulative Wirkung dieser Faktoren kann die Signalstärke schwächen oder Rauschen verursachen.

Akustische Simulationen mithilfe akustischer Raytracing-Simulationstechniken zeigen die tatsächliche Flugbahn von Strahlen innerhalb von Pipelines. Einige geometrische Konfigurationen erzeugen „akustische Schattenzonen“, was zu extrem schwachen Empfangssignalen führt; Andere Konfigurationen verfügen zwar über starke Signale, weisen jedoch Mehrwegeeffekte auf, die zu Wellenformverzerrungen führen. Durch eine vergleichende Analyse können Ingenieure das Anordnungsschema mit dem optimalen Signal-{2}}zu--Verhältnis auswählen.

Leistungssicherung unter Installationseinschränkungen

Standardspezifikationen erfordern typischerweise 20 Rohrdurchmesser des vorgelagerten geraden Rohrabschnitts, doch die Bedingungen vor Ort können diese Anforderung oft nicht erfüllen. Die Kosten für die Änderung der Pipeline können Hunderttausende Dollar betragen.

Die Simulation bietet eine Machbarkeitsbewertung für „nicht{0}}standardmäßige Installationen.“ Durch Berechnung des Grades der Wiederherstellung des Strömungsfelds bei unterschiedlichen geraden Rohrabschnittslängen, kombiniert mit einer Multi-Pfad-KonfigurationskompensationTechnologieMit der Gauß-Jacobi-Integrationsmethode kann eine qualifizierte Genauigkeit in Räumen mit nur 6–8 Rohrdurchmessern erreicht werden. Dies erfordert eine maßgeschneiderte Analyse für bestimmte Projekte, anstatt nur Spezifikationen anzuwenden, und gleichzeitig die Validierung der ISO 17089-Konformität sicherzustellen.

Anwendbarkeit auf Spezialmedien

Betriebsbedingungen wie hoch{0}viskose Flüssigkeiten, Schlämme mit festen Partikeln und Gase mit hoher-Temperatur und hohem-Druck weisen Strömungseigenschaften auf, die sich erheblich von denen herkömmlicher Flüssigkeiten unterscheiden. Eine vorschnelle Installation kann zu Geräteschäden oder Messfehlern führen.

Simulation ermöglicht das Testen extremer Bedingungen in virtuellen Umgebungen. Berechnen Sie beispielsweise, ob die Aufprallkraft eines Gasstroms mit hoher -Geschwindigkeit auf die Sonde eine strukturelle Resonanz durch Vorhersage der Wirbelablösungsfrequenz verursacht. oder analysieren, ob die Aufprallfrequenz der Partikel den Sensorverschleiß beschleunigt. Diese Informationen leiten die Materialauswahl und das Design der Strukturverstärkung.

Grenzen der technischen Anwendung

Simulation ist nicht allmächtig. Seine Genauigkeit hängt ab von:

• Ob das mathematische Modell reale physikalische Prozesse abdeckt
• Ob die Randbedingungseinstellungen den tatsächlichen Situationen entsprechen
• Ob die Rechenressourcen für eine verfeinerte Lösung ausreichen

Für völlig neue Strömungsphänomene oder extreme Betriebsbedingungen benötigen Simulationsergebnisse eine experimentelle Datenvalidierung. Dennoch kann die Simulation den experimentellen Umfang erheblich einschränken, sich auf Schlüsselparameter konzentrieren und die Forschungs- und Entwicklungseffizienz deutlich verbessern.

Abbildung 3.1: Ultraschall-Durchflussmesser vom Einsteck--Typ

Abbildung 3.1 zeigt einen häufig verwendeten Ultraschall-Durchflussmesser vom Typ -. Sein Funktionsprinzip besteht darin, ein Paar Ultraschallsensoren auf beiden Seiten der Rohrleitung zu installieren und eine genaue Durchflussmessung zu erreichen, indem der Unterschied zwischen den Ultraschallimpulsgeschwindigkeiten im Abwärts- und Aufwärtsfluss erfasst und berechnet wird. Während des Messvorgangs senden und empfangen die Sensoren abwechselnd Ultraschallsignale in entgegengesetzter Richtung. Die Ultraschallsignale breiten sich im Abwärtsstrom schneller aus als im Aufwärtsstrom; Wenn die Flüssigkeit stationär ist, ist die Zeitdifferenz Null. Daher kann durch Messung der Ausbreitungszeit von Ultraschallwellen in der Abwärts- und Aufwärtsströmung die Zeitdifferenz t ermittelt werden. Gemäß der Beziehung zwischen t und der Strömungsgeschwindigkeit V kann die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit des Fluids indirekt gemessen und der Volumenstrom Q basierend auf der Querschnittsfläche der Rohrleitung berechnet werden.

Bei der Konstruktion des Flüssigkeitskanals sollten die Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsbereich der Flüssigkeit berücksichtigt werden, während sich die Rohrleitungskonstruktion stärker auf den Bereich der Strömungsgeschwindigkeit konzentrieren muss, um die Genauigkeit der Durchflussmessung sicherzustellen. Eine zu hohe oder niedrige Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit beeinträchtigt letztendlich die Ausbreitungseigenschaften von Ultraschallsignalen.

Die Rohrleitungsabmessungen, nämlich der Innendurchmesser der Rohrleitung, müssen mit dem Innendurchmesser der gemessenen Rohrleitung übereinstimmen, um Störungen des Flüssigkeitsflusses zu reduzieren und somit eine Beeinträchtigung der endgültigen Messergebnisse zu vermeiden. Für die Stützstruktur in der Rohrleitungsstruktur sollten korrosionsbeständige und verschleißfeste Materialien ausgewählt werden, um die Lebensdauer zu verlängern. Gleichzeitig ist eine angemessene Konstruktion erforderlich, um die Stabilität bei hoher Strömungsgeschwindigkeit oder hohem Druck sicherzustellen. Der Ultraschallwandler muss je nach Anwendungsanforderungen einen geeigneten Ultraschallwandlertyp (z. B. geführte Welle oder Reflexionstyp) auswählen und dann eine geeignete Position für die Installation des Ultraschallwandlers auswählen, um sicherzustellen, dass das Ultraschallsignal effektiv die gesamte Rohrleitung passieren kann.
Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren umfasst die von Tang Xiaoyu[103] und anderen Wissenschaftlern der Zhejiang-Universität durchgeführte Forschung auch Folgendes: Unter Bedingungen einer 90-Grad-Biegung und einer 180-Grad-Biegung den Einfluss einer nicht-idealen Strömungsgeschwindigkeitsverteilung auf jeden akustischen Pfad des Ultraschall-Durchflussmessers, insbesondere die Auswirkung auf die Strömungsgeschwindigkeitsmessung und die Genauigkeit des Durchflussmessers. Zhang Zhijun und Zhu Yingsheng[102] sowie andere Wissenschaftler nutzten auf der Grundlage früherer Forschungen die CFD-Simulationstechnologie, um eine Simulationsanalyse für sieben Winkel (in 5-Grad-Intervallen) zwischen 30 Grad und 60 Grad für die Installationswinkel von Ultraschallwandlern durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Installationswinkel die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung im Rillenabschnitt des akustischen Pfads beeinflussen. Gleichzeitig wurde der relative Fehler zwischen der simulierten Strömungsgeschwindigkeit und der idealen Strömungsgeschwindigkeit analysiert und festgestellt, dass der optimale Wandlerinstallationswinkel für den entworfenen Gas-Ultraschall-Durchflussmesser mit DN80-Durchmesser 50 Grad beträgt.

Einfügungs--Typ-Ultraschall-Durchflussmessungs-Pipeline-Simulationsforschung

Die Simulationsforschung berücksichtigt drei Aspekte:

Simulation der Strömungsdynamik, Simulation der Ultraschallausbreitung und Simulation der Strukturmechanik. Mithilfe von CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics) kann die Flüssigkeitsströmung innerhalb der Rohrleitung simuliert und anschließend die Auswirkungen von Faktoren wie Strömungsgeschwindigkeitsverteilung und Wirbelströmung auf die Ausbreitung von Ultraschallsignalen analysiert werden. Während des Simulationsprozesses sollten mögliche Wirbel, Blasen usw. in der Flüssigkeit überprüft werden, um Störungen der Ultraschallmessung möglichst zu vermeiden.
Nehmen wir als Beispiel den Einfluss unterschiedlicher Einbauwinkel des Wandlers auf die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung, wenn die Gesamtkörperlänge des Rohrleitungsdurchflussmessers L=230 mm und der Durchmesser D=80 mm beträgt. Stellen Sie den Installationswinkel des Wandlers auf 30 bis 60 Grad ein und erstellen Sie ein Simulationsmodell in 5-Grad-Intervallen. Verschiedene Einbauwinkel sind in Abbildung 3.2 dargestellt. Um den Speicherverbrauch des Computers und die Rechenlast bei der Simulation durch die ANSYS-Software zu reduzieren, kann das CFD-Modell des Gas-Ultraschall-Durchflussmessers bis zu einem gewissen Grad vereinfacht werden, indem nur die Festlegung des Innendurchmessers des Durchflussmessergehäuses und des Wandlermodells berücksichtigt und der Rest vorübergehend ignoriert wird.
Das geometrische Modell ist in drei Teile unterteilt: vordere Rohrleitung, Gas-Ultraschall-Durchflussmesser und hintere Rohrleitung. Unter diesen verfügen die vorderen und hinteren Rohrleitungen über ein strukturiertes Netz, der Ultraschall-Durchflussmesser für das mittlere Gas über ein tetraedrisches Netz und an den Verbindungspunkten wird eine Schnittstellenoberflächenverbindung mit einer Netzverfeinerung an den Verbindungsflächen verwendet. Die geraden Auslass- und Einlassrohre verwenden strukturierte Maschen als Hexaedermaschen mit einer maximalen Maschenweite von 2, einem Abstand 1 (Maschenabstand der ersten Grenzschicht) von 1,5, einem Verhältnis 1 (Maschenwachstumsrate der ersten Grenzschicht) von 2, einem Abstand 2 (Maschenabstand der zweiten Grenzschicht) von 1,5 und einem Verhältnis 2 (Maschenwachstumsrate der zweiten Grenzschicht) von 2. Die maximale Maschenweite des Gehäuseabschnitts des Gas-Ultraschall-Durchflussmessers beträgt 5; Auf das Wandlernetz wird eine lokale Verfeinerung mit einer maximalen Maschenweite von 1,5 angewendet. Auf das Schnittstellennetz wird eine lokale Verfeinerung angewendet, wobei die Netzgröße bei 2 bleibt.

Abbildung 3.2 Schematische Darstellung von Wandlern bei verschiedenen Installationswinkeln

Tabelle mit den Ergebnissen der Wandlerwinkeloptimierung

Auswahl und Einrichtung der CFD-Simulationssoftware

ANSYS Fluent vs. COMSOL:Was ist besser für die Simulation von Ultraschall-Durchflussmessern?
Vergleich der Turbulenzmodelle:k-ε vs k-ω SST vs RSM für Reynolds-Zahl 10⁴-10⁷
Qualitätskriterien des Netzes:y+ < 1, Seitenverhältnis < 100, Schiefe < 0,85

Abbildung 3.3: Modellierungsmodell

Aufgrund des großen Geschwindigkeitsgradienten in der Nähe der Wandoberfläche wird die Grenzschichtnetzverfeinerung unter Verwendung des Gesetzes des exponentiellen Wachstums angewendet, wobei die Anfangshöhe (Anfangshöhe) auf 0,1, das Höhenverhältnis (Verhältnis jeder Grenzschicht) auf 1,2, die Anzahl der Schichten (Anzahl der Grenzschichten) auf 3 und die Gesamthöhe (Gesamthöhe der Grenzschichten) auf 0,7 eingestellt sind. Die endgültige Gesamtzahl der Maschen beträgt ungefähr 1,5 Millionen. Am Beispiel des Installationswinkels des DN80-Vierpfadwandlers von 50 Grad ist das Ergebnis der Maschenteilung in Abbildung 3.3 dargestellt.

Abbildung 3.4: Geschwindigkeitskonturkarten bei einer Einlassströmungsgeschwindigkeit von 10 m/s, Installationswinkeln von 50 Grad und 30 Grad

Um die Flüssigkeitsverteilung innerhalb der Rohrleitung bei unterschiedlichen Installationswinkeln besser zu verstehen, werden am Beispiel der beiden Installationswinkel von 30 Grad und 50 Grad bei einer Einlassströmungsgeschwindigkeit von 10 m/s die Geschwindigkeitskonturkarten der Pfade eins und drei in Abbildung 3.4 dargestellt.

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