Estudio de simulación del caudalímetro ultrasónico de abrazadera externa
El estudio de simulación del exterior.abrazaderamedidor de flujo ultrasónicoImplica modelar y simular el principio de funcionamiento y el rendimiento del medidor de flujo para optimizar su diseño, mejorar la precisión de la medición o evaluar su rendimiento en diferentes condiciones operativas.
Modelado de simulación numérica
El modelado de simulación numérica se aplica para establecer modelos matemáticos para el flujo de fluidos y la propagación de ondas ultrasónicas, incluidas ecuaciones de dinámica de fluidos y ecuaciones acústicas. Se utilizan herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) para modelar el flujo de fluido. Estas herramientas pueden simular turbulencias, distribución de la velocidad del flujo, etc., y analizar el impacto de la propagación de ondas ultrasónicas. Basado en CFD, se realiza un análisis acústico para simular la propagación y reflexión de la señal ultrasónica. Se puede utilizar un software de simulación acústica (como el módulo acústico de COMSOL Multiphysics) para completar esto. Se realiza un análisis de elementos finitos (FEA) de la estructura del sensor ultrasónico para comprender su rendimiento en diferentes condiciones. FEA ayuda a analizar los efectos de la expansión térmica, la vibración, etc., en los resultados de las mediciones. En la simulación se considera el contacto entre el sensor y la tubería para evaluar su efecto sobre la transmisión ultrasónica.
Verificación y optimización de laboratorio
En el laboratorio, se utiliza un banco de pruebas de flujo para la medición del flujo real y los resultados se comparan con los resultados de la simulación para verificar la precisión del modelo de simulación. Los parámetros del modelo de simulación se ajustan en función de los resultados experimentales para mejorar la precisión de la predicción. A través de la simulación, la posición del sensor, el diseño del dispositivo y el método de instalación se optimizan para mejorar la precisión y la estabilidad de la medición. Siguiendo lo apropiadoabrazadera en las pautas de instalación del medidor de flujo ultrasónicoEs crucial durante este proceso de optimización, ya que una instalación incorrecta puede afectar significativamente la precisión de las mediciones. En la simulación se simulan diferentes condiciones de falla (como burbujas, partículas sólidas) para evaluar su impacto en el rendimiento del medidor de flujo. Durante el proceso experimental, es necesario considerar las propiedades físicas del fluido (como la temperatura y la presión), ya que estas propiedades afectan la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas. Además, el ruido y las interferencias en el entorno real pueden afectar la calidad de la señal ultrasónica, lo que también requiere la optimización de los algoritmos de procesamiento de señales mediante simulaciones y experimentos.
Análisis de simulación multifísica COMSOL
Tomando el software COMSOL Multiphysics 5.6 como ejemplo para la construcción de modelos y el análisis de simulación, las simulaciones pueden analizar el impacto de diferentes ángulos, materiales de tuberías, diámetros de tuberías, frecuencias ultrasónicas y métodos de instalación en la propagación de ondas ultrasónicas. El diagrama esquemático del modelo de medición de flujo ultrasónico se muestra en la Figura 3.6. Para mejorar la eficiencia computacional de la solución del modelo 3D, generalmente usamos simetría para simular la mitad del canal para representar el modelo completo. Durante el proceso de construcción del modelo, se debe considerar la influencia de los diferentes materiales de la tubería en el ángulo de refracción ultrasónica, así como las diferentes distancias de desplazamiento horizontal para los dos transductores instalados bajo diferentes diámetros de tubería.
Figura 3.6 Diagrama esquemático de la construcción del modelo de medición de flujo ultrasónico
Métodos de instalación del transductor
Para cumplir con los requisitos generales para medir diferentes diámetros de tuberías, se deben utilizar diferentes frecuencias de trabajo de transductores ultrasónicos y diferentes métodos de instalación de transductores en la medición de flujo ultrasónico. Elmedidor de flujo ultrasónico tipo abrazaderaofrece ventajas particulares en este sentido, ya que permite una instalación no-invasiva sin necesidad de cortar tuberías ni detener el proceso. Los métodos de instalación comunes incluyen forma de V-, forma de Z-, forma de N-y forma de W-. Para estudiar el impacto de diferentes métodos de instalación de transductores en las señales de propagación de ondas ultrasónicas, es necesario realizar investigaciones relacionadas. Este artículo utiliza principalmente la simulación de modelado del método de instalación del transductor en forma de Z-como ejemplo de demostración.
Método Galerkin discontinuo y división de cuadrícula
En COMSOL Multiphysics 5.6, se utiliza el módulo de interfaz "Ecuación de convección, dominio de tiempo explícito" y, de forma predeterminada, forma parte de la fórmula con funciones cuárticas. Para resolver problemas de ondas, el método de Galerkin discontinuo ha demostrado ser un método eficaz. El método de Galerkin discontinuo simplifica el problema de división de cuadrículas en modelos grandes, permitiendo el uso de cuadrículas tetraédricas libres con tamaño de media-longitud de onda, y finalmente resolviendo el modelo completo. En la división de la cuadrícula real, generalmente configuramos el tamaño del elemento de la cuadrícula en cualquier valor entre media longitud de onda y dos-tercios de una longitud de onda para obtener una resolución espacial adecuada. Cuando se utiliza el solucionador explícito de dominio de tiempo-, el tamaño del paso de tiempo interno está estrictamente controlado por el software COMSOL, por lo que el elemento de cuadrícula más pequeño en el modelo controla el paso de tiempo. Al colocar elementos de rejilla tetraédricos libres, se deben controlar los tamaños máximo y mínimo de los elementos. En COMSOL Multiphysics 5.6, para la interfaz explícita del dominio de tiempo-"Ecuación de convección", el paso de tiempo interno se selecciona automáticamente según el nivel de refinamiento y las propiedades físicas de la cuadrícula. La Figura 3.7 muestra la división de la cuadrícula para estudiar la velocidad del flujo de fondo y la acústica utilizando el método de instalación en forma de Z-.
(a) Velocidad del flujo de fondo (b) Acústica
Figura 3.7 División de la cuadrícula para estudiar la velocidad del flujo de fondo y la acústica en diferentes momentos
Configuración del campo físico
Una vez construido el modelo, es necesario configurar los campos físicos. El dominio del líquido en la tubería se establece como un campo físico de flujo laminar o turbulento para simular el fluido en la tubería durante el uso real; el dominio líquido en la tubería, la tubería y los transductores en ambos lados de la tubería se configuran como el campo físico de "Ecuación de convección, dominio de tiempo explícito" para simular la propagación de ondas ultrasónicas. En la configuración del campo físico "Ecuación de convección, dominio de tiempo explícito", los extremos de la tubería se definen como límites de impedancia para truncar el cálculo. En simulaciones laminares o turbulentas, la entrada de fluido está a la izquierda y la salida de fluido a la derecha. Asujetar con correamedidor de flujo ultrasónicoLa configuración se establece con un transmisor ultrasónico instalado en la parte inferior de la tubería y un receptor instalado en la parte superior. Se aplica una velocidad normal en el extremo del transmisor para emitir ondas ultrasónicas.
Modelado y análisis del estado de fluidos
Cuando se utiliza el software COMSOL Multiphysics 5.6 para simulaciones de medición de flujo ultrasónico, primero se debe modelar y analizar el estado del fluido en la tubería. Tomando como ejemplo un tubo de PVC con un diámetro exterior de 15 mm y un espesor de pared de 0,75 mm, se realizaron simulaciones laminares y turbulentas. Estas simulaciones son esenciales para comprender cómoCorrea ultrasónica en medidor de flujo.funciona bajo diversas condiciones de flujo. La simulación de flujo laminar utiliza el módulo "Flujo laminar" en COMSOL Multiphysics 5.6 para la configuración del campo físico, y la simulación de flujo turbulento utiliza el módulo "Flujo turbulento, k-ω". La Figura 3.8 muestra la magnitud de la velocidad del flujo de fondo en condiciones laminares y turbulentas.
En la Figura 3.8, se puede ver que bajo condiciones de flujo laminar, la velocidad del flujo en cada parte de la tubería es casi uniforme, cercana a la velocidad de flujo promedio del fluido de fondo. Según el diagrama, el color más intenso en el centro de la tubería indica una mayor velocidad de flujo.
(a) Flujo laminar (b) Flujo turbulento
Figura 3.8 Magnitud de la velocidad del flujo de fondo en diferentes estados de fluido
Análisis de velocidad de flujo en segundo plano
Para mostrar más claramente la velocidad del flujo en cada parte de la tubería, se seleccionó una sección de la tubería para trazar la curva de velocidad del flujo de fondo. La Figura 3.9 muestra las curvas de velocidad del flujo de fondo en condiciones de flujo laminar y turbulento.
Para la tubería de PVC con un diámetro exterior de 15 mm y un espesor de pared de 0,75 mm, se realizó un análisis de simulación. Los resultados de la simulación utilizando el módulo "Flujo Laminar" se muestran en la Figura 3.9(a). Se puede observar que en el estado de flujo laminar, la transición de la velocidad del flujo ocurre solo dentro de un rango de 5 mm en la superficie de la tubería, mientras que la velocidad del flujo en otras ubicaciones es de aproximadamente 10 m/s, lo que indica que el fluido experimenta un retraso en el flujo cerca de la pared de la tubería debido a la fricción de la tubería. Por el contrario, los resultados de la simulación utilizando el módulo "Flujo turbulento, k-ω" se muestran en la Figura 3.9(b). Se puede ver que bajo la condición de una velocidad de flujo promedio de 10 m/s, la velocidad del flujo cerca de la pared de la tubería es de aproximadamente 4,5 m/s, y la velocidad del flujo en el centro de la tubería puede alcanzar aproximadamente 12,2 m/s, con la distribución de la velocidad del flujo formando una forma parabólica.
(a) Flujo laminar
(b) Flujo turbulento
Figura 3.9 Curvas de velocidad de flujo de fondo en diferentes estados de fluido
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