Hermirannsókn á ytri klemmu ultrasonic flæðimælinum
Hermirannsókn á ytriklemma áultrasonic flæðimælirfelur í sér líkanagerð og eftirlíkingu af vinnureglunni og frammistöðu flæðimælisins til að hámarka hönnun hans, bæta mælingarnákvæmni eða meta frammistöðu hans við mismunandi rekstrarskilyrði.
Númerical Simulation Modeling
Talnalíkönum er beitt til að koma á stærðfræðilegum líkönum fyrir vökvaflæði og útbreiðslu úthljóðsbylgju, þar með talið vökvavirknijöfnur og hljóðjöfnur. Computational Fluid Dynamics (CFD) verkfæri eru notuð til að móta vökvaflæðið. Þessi verkfæri geta líkt eftir ókyrrð, dreifingu flæðishraða osfrv., og greint áhrif útbreiðslu úthljóðsbylgju. Byggt á CFD er hljóðgreining gerð til að líkja eftir útbreiðslu og endurspeglun úthljóðsmerkisins. Hægt er að nota hljóðuppgerð hugbúnað (eins og hljóðeininguna í COMSOL Multiphysics) til að klára þetta. Finite Element Analysis (FEA) á ultrasonic skynjara uppbyggingu er gerð til að skilja frammistöðu þess við mismunandi aðstæður. FEA hjálpar til við að greina áhrif varmaþenslu, titrings o.s.frv., á mælingarniðurstöður. Snertingin milli skynjarans og leiðslunnar er talin í uppgerðinni til að meta áhrif þess á úthljóðssendingu.
Staðfesting og hagræðing á rannsóknarstofu
Á rannsóknarstofunni er rennslisprófunarbekkur notaður fyrir raunverulega flæðismælingu og niðurstöðurnar bornar saman við hermi niðurstöður til að sannreyna nákvæmni hermilíkans. Færibreytur hermilíkansins eru lagaðar út frá niðurstöðum tilrauna til að bæta spánákvæmni. Með uppgerð er staðsetning skynjarans, hönnun innréttinga og uppsetningaraðferð fínstillt til að bæta mælingarnákvæmni og stöðugleika. Eftir almennilegaklemma á uppsetningarleiðbeiningar fyrir ultrasonic flæðimælirskiptir sköpum í þessu hagræðingarferli, þar sem röng uppsetning getur haft veruleg áhrif á nákvæmni mælinga. Mismunandi bilunaraðstæður (svo sem loftbólur, fastar agnir) eru líkt eftir í uppgerðinni til að meta áhrif þeirra á frammistöðu flæðimælis. Í tilraunaferlinu þarf að huga að eðlisfræðilegum eiginleikum vökvans (eins og hitastigi og þrýstingi), þar sem þessir eiginleikar hafa áhrif á hraða útbreiðslu úthljóðsbylgjunnar. Að auki getur hávaði og truflanir í raunverulegu umhverfi haft áhrif á gæði úthljóðsmerkisins, sem krefst einnig hagræðingar á reikniritum merkjavinnslu með uppgerðum og tilraunum.
COMSOL Multiphysics Simulation Analysis
Með því að taka COMSOL Multiphysics 5.6 hugbúnaðinn sem dæmi fyrir smíði líkana og hermunagreiningu geta hermir greint áhrif mismunandi sjónarhorna, leiðsluefna, pípuþvermál, úthljóðstíðni og uppsetningaraðferðir á útbreiðslu úthljóðsbylgju. Skýringarmynd af úthljóðsrennslismælingarlíkani er sýnd á mynd 3.6. Til að bæta reikniskilvirkni þrívíddarlíkanlausnarinnar notum við venjulega samhverfu til að líkja eftir helmingi rásarinnar til að tákna allt líkanið. Í smíði líkansins ætti að huga að áhrifum mismunandi leiðsluefna á úthljóðsbrotshornið, sem og mismunandi lárétta tilfærslufjarlægð fyrir transducerana tvo sem eru settir upp undir mismunandi pípuþvermál.
Mynd 3.6 Skýringarmynd af úthljóðsflæðismælingu líkansins
Uppsetningaraðferðir fyrir transducer
Til að uppfylla almennar kröfur til að mæla mismunandi þvermál pípa ætti að nota mismunandi vinnutíðni úthljóðs transducers og mismunandi uppsetningaraðferðir fyrir transducer í ultrasonic flæðismælingum. Theklemma á gerð ultrasonic flæðimælisbýður upp á sérstaka kosti í þessu sambandi, þar sem það gerir ráð fyrir ó-ífarandi uppsetningu án þess að þurfa að klippa pípu eða loka ferli. Algengar uppsetningaraðferðir eru V-lögun, Z-lögun, N-lögun og W-lögun. Til að kanna áhrif mismunandi uppsetningaraðferða fyrir transducer á útbreiðslumerki úthljóðsbylgju er nauðsynlegt að framkvæma tengdar rannsóknir. Þessi grein notar aðallega Z-mótunaruppsetningaraðferðarlíkönslíkön sem dæmi til sýnikennslu.
Ósamfelld Galerkin aðferð og rist skipting
Í COMSOL Multiphysics 5.6 er "Convection Equation, Time Domain Explicit" viðmótseiningin notuð og sjálfgefið er hún hluti af formúlunni með kvartískum föllum. Til að leysa ölduvandamál hefur Discontinuous Galerkin aðferðin reynst skilvirk aðferð. The Discontinuous Galerkin aðferðin einfaldar rist skiptingarvandamálið í stórum gerðum, gerir kleift að nota frjálsa tetrahedral rist með hálfri-bylgjulengdarstærð og leysir að lokum allt líkanið. Í raunverulegri rist skiptingu, stillum við venjulega stærð ristarinnar á hvaða gildi sem er á milli hálfrar bylgjulengdar og tveggja-þriðju hluta bylgjulengdar til að fá viðeigandi staðbundna upplausn. Þegar þú notar skýran tíma-lénsleysi, er innri tímaþrepsstærð stranglega stjórnað af COMSOL hugbúnaðinum, þannig að minnsti töfluþátturinn í líkaninu stjórnar tímaþrepinu. Þegar settir eru lausir tetrahedral rist þættir, verður að stjórna hámarks- og lágmarksstærð frumefna. Í COMSOL Multiphysics 5.6, fyrir „Convection Equation“ tíma-skýrt viðmót léns, er innra tímaþrepið sjálfkrafa valið byggt á fágunarstigi og eðlisfræðilegum eiginleikum netsins. Mynd 3.7 sýnir ristaskiptingu til að rannsaka bakgrunnsflæðishraða og hljóðvist með því að nota Z-laga uppsetningaraðferðina.
(a) Bakgrunnsflæðishraði (b) Hljóðvist
Mynd 3.7 Ritun til að rannsaka bakgrunnsflæðishraða og hljóðvist á mismunandi tímum
Líkamleg sviðsstilling
Eftir að líkanið er smíðað þarf að stilla eðlisfræðilega reiti. Vökvasvæðið í leiðslunni er stillt sem lagskipt eða órólegt flæðisfræðilegt svið til að líkja eftir vökvanum í leiðslunni við raunverulega notkun; vökvalénið í leiðslunni, leiðslan og transducers á báðum hliðum leiðslunnar eru stillt sem „Convection Equation, Time Domain Explicit“ eðlisfræðilegt svið til að líkja eftir útbreiðslu úthljóðsbylgna. Í "Convection Equation, Time Domain Explicit" efnissviðsuppsetningu, eru endar leiðslunnar skilgreindir sem viðnámsmörk til að stytta útreikninginn. Í lagskiptum eða ókyrrðarhermum er vökvainntakið vinstra megin og vökvaúttakið til hægri. Aól áultrasonic flæðimæliruppsetningu er komið á með úthljóðsendi sem er settur upp á neðri hlið leiðslunnar og móttakara settur upp á efri hliðinni. Venjulegur hraði er beitt á enda sendisins til að gefa frá sér úthljóðsbylgjur.
Vökvaástandslíkan og greining
Þegar COMSOL Multiphysics 5.6 hugbúnaður er notaður fyrir úthljóðsmælingar á flæðismælingum þarf fyrst að móta og greina vökvaástandið í leiðslunni. Með því að taka PVC pípu með ytra þvermál 15 mm og veggþykkt 0,75 mm sem dæmi voru gerðar lagskiptingar og ókyrrðar eftirlíkingar. Þessar eftirlíkingar eru nauðsynlegar til að skilja hvernigultrasonic ól á flæðimælivirkar við mismunandi flæðisskilyrði. Lagskipt flæðishermi notar „Laminar Flow“ eininguna í COMSOL Multiphysics 5.6 fyrir uppsetningu á eðlisfræðilegri vettvangi og ókyrrðflæðishermi notar „Turbulent Flow, k-ω“ eininguna. Mynd 3.8 sýnir stærð bakgrunnsrennslishraða við lagskiptingar og ólgandi aðstæður.
Af mynd 3.8 má sjá að við lagskipt flæðisskilyrði er flæðishraði í hverjum hluta leiðslunnar nánast einsleitur, nálægt meðalflæðishraða bakgrunnsvökvans. Samkvæmt skýringarmyndinni gefur dýpri litur í miðju leiðslunnar til kynna meiri flæðishraða.
(a) Lagflæði (b) Turbulent flæði
Mynd 3.8 Stærð bakgrunnsflæðishraða undir mismunandi vökvaríkjum
Bakgrunnsflæðishraðagreining
Til að sýna rennslishraðann í hverjum hluta leiðslunnar skýrar var hluti af leiðslunni valinn til að teikna bakgrunnsrennslishraðaferilinn. Mynd 3.9 sýnir bakgrunnsflæðishraðaferla við lagskiptingar og ókyrrðarflæðisskilyrði.
Fyrir PVC pípuna með ytri þvermál 15 mm og veggþykkt 0,75 mm var gerð hermigreining. Niðurstöður hermisins með því að nota „Laminar Flow“ eininguna eru sýndar á mynd 3.9(a). Sjá má að í lagskiptu flæðisástandi eiga sér stað umskipti á flæðishraða aðeins innan 5 mm sviðs á pípuyfirborði, en flæðishraði á öðrum stöðum er um 10 m/s, sem gefur til kynna að vökvi verði fyrir flæðiseinkun nálægt pípuveggnum vegna núnings pípunnar. Aftur á móti eru niðurstöður uppgerðarinnar með því að nota „Turbulent Flow, k-ω“ eininguna sýndar á mynd 3.9(b). Sjá má að við meðalrennslishraða 10 m/s er rennslishraði nálægt pípuvegg um 4,5 m/s og rennslishraði í miðju pípunnar getur orðið um það bil 12,2 m/s, þar sem flæðihraðadreifingin myndar fleygbogaform.
(a) Lagflæði
(b) Turbulent flæði
Mynd 3.9 Bakgrunnsflæðishraðaferlar undir mismunandi vökvaríkjum
