- โดย LiuXing วิศวกรอาวุโสด้านการวัดการไหลที่มีประสบการณ์ 15+ ปีในด้านการวิจัยและพัฒนาเครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิก

ได้รับการรับรองในการวิเคราะห์ CFD (ANSYS Fluent Professional)

มูลค่าทางวิศวกรรมของการจำลองโครงสร้างท่อของเครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิคแบบแทรก

เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีเทคโนโลยีการจำลอง?

ในทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัตินั้นประสิทธิภาพของการแทรกเครื่องวัดอัตราการไหลล้ำเสียงได้รับผลกระทบอย่างมากจากสภาพท่อ วิธีการแบบเดิมๆ อาศัย-การแก้ไขจุดบกพร่องไซต์ซ้ำๆ ซึ่งไม่เพียงแต่มีค่าใช้จ่ายสูง แต่ยังอาจเปิดเผยข้อบกพร่องของการออกแบบหลังจากการทดสอบการใช้งานแล้วเท่านั้น การนำเทคโนโลยีการจำลองมาใช้ได้เปลี่ยนแปลงสถานการณ์นี้ ทำให้วิศวกรสามารถระบุและแก้ไขปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในขั้นตอนการออกแบบได้

คุณค่าหลักอยู่ที่: การโอน "ต้นทุนการทดลอง-และ-ข้อผิดพลาด" จากภาคสนามไปยังคอมพิวเตอร์ โดยแทนที่การทดลองทางกายภาพที่มีราคาแพงด้วยการคำนวณเชิงตัวเลข

ปัญหาทางวิศวกรรมที่สำคัญหกประการแก้ไขได้ด้วยการจำลอง

วิธีการระบุตำแหน่งโพรบ

ความเร็วการไหลในท่อไม่กระจายสม่ำเสมอ ข้อศอกและวาล์วจะสร้างกระแสน้ำวนในพื้นที่ และการติดตั้งโพรบในพื้นที่เหล่านี้จะทำให้การอ่านค่าบิดเบี้ยว วิศวกรใช้การคำนวณกลศาสตร์ของไหลเพื่อแสดงภาพเวกเตอร์ความเร็วที่ทุกจุดในท่อ ดังนั้นจึงเลือกส่วนตัดขวางของสนามการไหลที่ค่อนข้างเสถียร-สำหรับการติดตั้งเซ็นเซอร์ ซึ่งจำเป็นสำหรับการกำหนดปัจจัยการแก้ไขโปรไฟล์การไหล (FPCF) ที่แม่นยำ

แบบฝึกหัดแสดงให้เห็น: ความแตกต่างเล็กน้อยในมุมเอียงของโพรบ (ที่ระดับ 5 องศา) จะเปลี่ยนสถานะการไหลในพื้นที่การวัด การทดสอบการกำหนดค่าหลายมุมอย่างเป็นระบบเพื่อค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่มีข้อผิดพลาดน้อยที่สุดนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยในการทดลองทางกายภาพ แต่การวิเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์สามารถดำเนินการให้เสร็จสิ้นได้ภายในไม่กี่วัน ในขณะเดียวกันก็คำนึงถึงผลกระทบที่ยื่นออกมาของทรานสดิวเซอร์และรอยเว้า

คอขวดความแม่นยำอยู่ที่ไหน

การวัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกอาศัยหลักการ "ความแตกต่างของเวลา" และการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของของไหล (อุณหภูมิ ความดัน องค์ประกอบ) ล้วนส่งผลต่อความเร็วเสียง สูตรเชิงประจักษ์อย่างง่ายเป็นเรื่องยากที่จะครอบคลุมทุกสภาวะการทำงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความแม่นยำในการถ่ายโอนแบบควบคุม

การจำลองจะสร้างความสัมพันธ์ในการแมประหว่างพารามิเตอร์อินพุตและความเบี่ยงเบนของการวัดผ่านการวิเคราะห์การขึ้นต่อกันของตัวเลข Reynolds ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิของของเหลวผันผวน ±10 องศา ความเร็วเสียงจะเปลี่ยนไปเท่าใด การเปลี่ยนแปลงนี้แปลเป็นข้อผิดพลาดในการไหลอย่างไร ด้วยข้อมูลเชิงปริมาณนี้ ทำให้สามารถออกแบบอัลกอริธึมการชดเชยอุณหภูมิที่มีประสิทธิผลได้

วิธีจัดการกับสถานะการไหลที่ซับซ้อน

แบบจำลองการไหลแบบราบเรียบในตำราเรียนไม่ค่อยปรากฏในไปป์ไลน์จริง ความปั่นป่วน การไหลทุติยภูมิ และแม้แต่ก๊าซ-การไหลของของเหลวสองเฟส- ทำให้โปรไฟล์ความเร็วเบี่ยงเบนไปจากสถานะในอุดมคติอย่างรุนแรง Computational Fluid Dynamics (CFD) สามารถสร้างปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนเหล่านี้ได้ กรณีทางวิศวกรรมแสดงให้เห็นว่า: ความเบ้ของความเร็วอย่างมีนัยสำคัญยังคงอยู่ที่เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 15 เส้นที่ปลายน้ำของการโค้งงอ 90 องศา หากไม่เข้าใจสิ่งนี้ การไหลที่คำนวณตามสมมติฐานของสนามการไหลมาตรฐานอาจเบี่ยงเบนไปหลายเปอร์เซ็นต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่งผลกระทบต่ออัลตราโซนิกหลายเส้นทางเครื่องวัดการไหลความแม่นยำในการบูรณาการ

การเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางการแพร่กระจายคลื่นเสียง

คลื่นอัลตราโซนิกเผชิญกับการรบกวน เช่น การสะท้อนของผนังท่อ การกระจายของรอยเชื่อม และความไม่สอดคล้องกันของสื่อ-ระหว่างการแพร่กระจาย ผลสะสมของปัจจัยเหล่านี้อาจทำให้ความแรงของสัญญาณอ่อนลงหรือทำให้เกิดเสียงรบกวนได้

การจำลองเสียงโดยใช้เทคนิคการจำลองการติดตามรังสีอะคูสติกเผยให้เห็นวิถีโคจรที่แท้จริงของคานภายในท่อ การกำหนดค่าทางเรขาคณิตบางอย่างทำให้เกิด "โซนเงาเสียง" ส่งผลให้สัญญาณที่ได้รับอ่อนมาก การกำหนดค่าอื่นๆ แม้ว่าจะมีสัญญาณที่แรง แต่ก็มีเอฟเฟกต์แบบหลายเส้นทางที่ทำให้เกิดการบิดเบือนของรูปคลื่น ด้วยการวิเคราะห์เปรียบเทียบ วิศวกรสามารถเลือกรูปแบบการจัดเรียงที่มีอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนที่เหมาะสมที่สุด

การประกันประสิทธิภาพภายใต้ข้อจำกัดในการติดตั้ง

ข้อกำหนดมาตรฐานโดยทั่วไปต้องใช้เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 20 เส้นของส่วนท่อตรงต้นน้ำ แต่สภาพสนามมักไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดนี้ได้ ค่าใช้จ่ายในการแก้ไขไปป์ไลน์อาจสูงถึงหลายแสนดอลลาร์

การจำลองให้การประเมินความเป็นไปได้สำหรับ "การติดตั้งที่ไม่ได้-เป็นมาตรฐาน" โดยการคำนวณระดับการฟื้นตัวของสนามการไหลภายใต้ความยาวส่วนต่างๆ ของท่อตรง รวมกับค่าชดเชยการกำหนดค่าหลาย-เส้นทางเทคโนโลยีโดยใช้วิธีรวม Gauss-Jacobi เพื่อให้ได้ความแม่นยำตามที่กำหนดในพื้นที่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางท่อเพียง 6-8 เส้น ซึ่งจำเป็นต้องมีการวิเคราะห์แบบกำหนดเองสำหรับโครงการเฉพาะ แทนที่จะใช้ข้อกำหนดเฉพาะเพียงอย่างเดียว ขณะเดียวกันก็รับประกันการตรวจสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนด ISO 17089

การบังคับใช้กับสื่อพิเศษ

สภาพการทำงาน เช่น -ของเหลวที่มีความหนืดสูง ของเหลวข้นที่มีอนุภาคของแข็ง และก๊าซความดันสูง-อุณหภูมิสูง- มีลักษณะการไหลที่แตกต่างอย่างมากจากของเหลวทั่วไป การติดตั้งผื่นอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายหรือล้มเหลวในการวัด

การจำลองทำให้สามารถทดสอบสภาวะสุดขั้วในสภาพแวดล้อมเสมือนจริงได้ ตัวอย่างเช่น การคำนวณว่าแรงกระแทกของการไหลของก๊าซความเร็วสูง-บนโพรบจะทำให้เกิดการสั่นพ้องทางโครงสร้างผ่านการทำนายความถี่การไหลของกระแสน้ำวนหรือไม่ หรือการวิเคราะห์ว่าความถี่การกระแทกของอนุภาคจะเร่งการสึกหรอของเซ็นเซอร์หรือไม่ ข้อมูลนี้เป็นแนวทางในการเลือกวัสดุและการออกแบบการเสริมแรงโครงสร้าง

ขอบเขตของการประยุกต์ใช้ทางเทคนิค

การจำลองไม่ใช่อำนาจทุกอย่าง ความแม่นยำของมันขึ้นอยู่กับ:

• แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ครอบคลุมกระบวนการทางกายภาพจริงหรือไม่
• การตั้งค่าเงื่อนไขขอบเขตสอดคล้องกับสถานการณ์จริงหรือไม่
• ทรัพยากรการคำนวณเพียงพอสำหรับโซลูชันที่ได้รับการปรับปรุงหรือไม่

สำหรับปรากฏการณ์การไหลใหม่ทั้งหมดหรือสภาวะการทำงานที่รุนแรง ผลการจำลองจำเป็นต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลการทดลอง อย่างไรก็ตาม การจำลองยังคงสามารถจำกัดขอบเขตการทดลองให้แคบลงได้อย่างมาก มุ่งเน้นไปที่พารามิเตอร์หลัก และปรับปรุงประสิทธิภาพการวิจัยและพัฒนาได้อย่างมาก

รูปที่ 3.1: เครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิกชนิดแทรก-

รูปที่ 3.1 แสดงเครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิกชนิดแทรก-ที่ใช้กันทั่วไป หลักการทำงานของมันคือการติดตั้งเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกคู่บนทั้งสองด้านของท่อ และบรรลุการวัดการไหลที่แม่นยำโดยการตรวจจับและคำนวณความแตกต่างระหว่างความเร็วพัลส์อัลตราโซนิกในการไหลดาวน์สตรีมและต้นน้ำ ในระหว่างกระบวนการวัด เซ็นเซอร์จะสลับกันส่งและรับสัญญาณอัลตราโซนิกในทิศทางตรงกันข้าม สัญญาณอัลตราโซนิคจะแพร่กระจายได้เร็วกว่าในการไหลแบบปลายน้ำมากกว่าในการไหลแบบต้นน้ำ เมื่อของไหลหยุดนิ่ง ส่วนต่างของเวลาจะเป็นศูนย์ ดังนั้น ด้วยการวัดเวลาการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิกในการไหลปลายน้ำและต้นน้ำ ทำให้สามารถหาค่าความแตกต่างของเวลา t ได้ ตามความสัมพันธ์ระหว่าง t และความเร็วการไหล V ความเร็วการไหลเฉลี่ยของของไหลสามารถวัดทางอ้อมได้ และอัตราการไหลของปริมาตร Q สามารถคำนวณได้จากพื้นที่หน้าตัด-ของท่อ

การออกแบบช่องของเหลวควรพิจารณาความเร็วการไหลของของไหลและช่วงการไหลของของเหลว โดยที่การออกแบบท่อส่งของเหลวจำเป็นต้องเน้นไปที่ช่วงความเร็วการไหลของของไหลมากขึ้นเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของการวัดการไหล ความเร็วการไหลของของเหลวสูงหรือต่ำมากเกินไปจะส่งผลต่อลักษณะการแพร่กระจายของสัญญาณอัลตราโซนิกในที่สุด

ขนาดของท่อ ซึ่งได้แก่ เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อ จะต้องตรงกับเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อที่วัดได้ เพื่อลดการรบกวนการไหลของของไหล และหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อผลการวัดขั้นสุดท้าย โครงสร้างรองรับในโครงสร้างไปป์ไลน์ควรเลือกวัสดุที่-ทนต่อการกัดกร่อนและการสึกหรอ-เพื่อยืดอายุการใช้งาน ในเวลาเดียวกัน จำเป็นต้องมีการออกแบบที่เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรภายใต้ความเร็วการไหลสูงหรือแรงดันสูง ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกจำเป็นต้องเลือกประเภททรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกที่เหมาะสม (เช่น ประเภทคลื่นนำทางหรือประเภทการสะท้อน) ตามความต้องการในการใช้งาน จากนั้นเลือกตำแหน่งที่เหมาะสมเพื่อติดตั้งทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณอัลตราโซนิกสามารถผ่านท่อทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ
นอกเหนือจากปัจจัยข้างต้นแล้ว การวิจัยที่ดำเนินการโดย Tang Xiaoyu[103] และนักวิชาการคนอื่นๆ จากมหาวิทยาลัยเจ้อเจียงยังรวมถึง: ภายใต้เงื่อนไขการโค้งงอ 90 องศาและการโค้งงอ 180 องศา อิทธิพลของการกระจายความเร็วการไหลที่ไม่-ในอุดมคติบนเส้นทางเสียงแต่ละเส้นทางของเครื่องวัดการไหลแบบอัลตราโซนิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบต่อการวัดความเร็วการไหลและความแม่นยำของเครื่องวัดการไหล จากการวิจัยก่อนหน้านี้ Zhang Zhijun และ Zhu Yingsheng[102] และนักวิชาการคนอื่นๆ ได้ใช้เทคโนโลยีการจำลอง CFD เพื่อทำการวิเคราะห์การจำลองใน 7 มุม (ที่ระยะห่าง 5 องศา) ระหว่าง 30 องศาถึง 60 องศาสำหรับมุมการติดตั้งทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก ผลการวิจัยพบว่า: มุมการติดตั้งที่แตกต่างกันส่งผลต่อการกระจายความเร็วการไหลในส่วนร่องของเส้นทางเสียง ในเวลาเดียวกัน มีการวิเคราะห์ข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ระหว่างความเร็วการไหลจำลองและความเร็วการไหลในอุดมคติ และพบว่ามุมการติดตั้งทรานสดิวเซอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเครื่องวัดการไหลอัลตราโซนิกก๊าซขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง DN80 ที่ออกแบบคือ 50 องศา

การแทรก-ประเภทการวิจัยการจำลองท่อการวัดการไหลของอัลตราโซนิก

การวิจัยแบบจำลองพิจารณาสามด้าน:

การจำลองพลศาสตร์ของไหล การจำลองการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิก และการจำลองกลศาสตร์โครงสร้าง การใช้แบบจำลอง CFD (Computational Fluid Dynamics) ทำให้สามารถจำลองการไหลของของไหลภายในไปป์ไลน์ได้ จากนั้นจึงสามารถวิเคราะห์ผลกระทบของปัจจัยต่างๆ เช่น การกระจายความเร็วของการไหล และการไหลของกระแสน้ำวนต่อการแพร่กระจายของสัญญาณอัลตราโซนิคได้ ในระหว่างกระบวนการจำลอง ควรตรวจสอบกระแสน้ำวน ฟองอากาศ ฯลฯ ที่เป็นไปได้ในของเหลวเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนกับการวัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกให้มากที่สุด
ยกตัวอย่างอิทธิพลของมุมการติดตั้งทรานสดิวเซอร์ที่แตกต่างกันต่อการกระจายความเร็วการไหล หากความยาวโดยรวมของมิเตอร์วัดการไหลของท่อคือ L=230 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางคือ D=80 มม. ตั้งค่ามุมการติดตั้งทรานสดิวเซอร์เป็น 30 องศา ~60 องศา และสร้างแบบจำลองที่ระยะห่าง 5 องศา มุมการติดตั้งต่างๆ แสดงไว้ในรูปที่ 3.2 เพื่อลดการใช้หน่วยความจำคอมพิวเตอร์และภาระในการคำนวณเมื่อซอฟต์แวร์ ANSYS ทำการจำลอง แบบจำลอง CFD ของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิกแก๊สสามารถทำให้ง่ายขึ้นได้ในระดับหนึ่ง โดยพิจารณาเฉพาะการสร้างเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของตัวเรือนเครื่องวัดอัตราการไหลและแบบจำลองตัวแปลงสัญญาณ โดยที่ส่วนที่เหลือจะละเว้นชั่วคราว
แบบจำลองทางเรขาคณิตแบ่งออกเป็นสามส่วน: ไปป์ไลน์ด้านหน้า เครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตราโซนิคของแก๊ส และไปป์ไลน์ด้านหลัง ในหมู่พวกเขา ท่อด้านหน้าและด้านหลังใช้ตาข่ายที่มีโครงสร้าง เครื่องวัดอัตราการไหลอัลตราโซนิกก๊าซกลางใช้ตาข่ายเตตราฮีดรัล และใช้การเชื่อมต่อพื้นผิวอินเทอร์เฟซที่จุดเชื่อมต่อ โดยมีการปรับแต่งตาข่ายที่พื้นผิวการเชื่อมต่อ ท่อตรงทางออกและทางเข้าใช้ตาข่ายที่มีโครงสร้างเป็นตาข่ายหกเหลี่ยม โดยมีขนาดตาข่ายสูงสุดที่ตั้งไว้ที่ 2 ระยะห่าง 1 (ระยะห่างตาข่ายชั้นขอบเขตแรก) เท่ากับ 1.5 อัตราส่วน 1 (อัตราการเติบโตของตาข่ายขอบเขตชั้นแรก) เท่ากับ 2 ระยะห่าง 2 (ระยะห่างตาข่ายของขอบเขตชั้นที่สอง) เท่ากับ 1.5 และอัตราส่วน 2 (อัตราการเติบโตของตาข่ายขอบเขตชั้นที่สอง) เท่ากับ 2 ขนาดตาข่ายสูงสุดของส่วนของร่างกายเครื่องวัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกคือ 5 การปรับแต่งเฉพาะจุดถูกนำไปใช้กับตาข่ายทรานสดิวเซอร์ที่มีขนาดตาข่ายสูงสุด 1.5; การปรับแต่งแบบโลคอลจะถูกนำไปใช้กับอินเทอร์เฟซเมช โดยคงขนาดเมชไว้ที่ 2

รูปที่ 3.2 แผนผังของทรานสดิวเซอร์ที่มุมการติดตั้งที่แตกต่างกัน

แผนภูมิผลลัพธ์การปรับมุมให้เหมาะสมของทรานสดิวเซอร์

การเลือกและการตั้งค่าซอฟต์แวร์จำลอง CFD

ANSYS Fluent กับ COMSOL:ข้อไหนดีกว่าสำหรับการจำลองมิเตอร์อัลตราโซนิก?
การเปรียบเทียบแบบจำลองความปั่นป่วน:k-ε เทียบกับ k-ω SST เทียบกับ RSM สำหรับ Reynolds หมายเลข 10⁴-107⁷
เกณฑ์คุณภาพตาข่าย:y+ < 1, อัตราส่วนภาพ < 100, ความเบ้ < 0.85

รูปที่ 3.3: โมเดลการสร้างแบบจำลอง

เนื่องจากการไล่ระดับความเร็วขนาดใหญ่ใกล้กับพื้นผิวผนัง จึงมีการนำการปรับแต่งตาข่ายของชั้นขอบเขตมาใช้ โดยใช้กฎการเติบโตแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล โดยตั้งค่าความสูงเริ่มต้น (ความสูงเริ่มต้น) ไว้ที่ 0.1 อัตราส่วนความสูง (อัตราส่วนของชั้นขอบเขตแต่ละชั้น) เท่ากับ 1.2 จำนวนเลเยอร์ (จำนวนชั้นขอบเขต) เท่ากับ 3 และความสูงรวม (ความสูงรวมของชั้นขอบเขต) เท่ากับ 0.7 จำนวนเมชทั้งหมดสุดท้ายคือประมาณ 1.5 ล้าน จากตัวอย่างการติดตั้งทรานสดิวเซอร์สี่เส้นทาง DN80- ที่ 50 องศา ผลลัพธ์การแบ่งเมชจะแสดงในรูปที่ 3.3

รูปที่ 3.4: แผนที่เส้นแสดงความเร็วที่ความเร็วการไหลเข้า 10 เมตร/วินาที มุมการติดตั้ง 50 องศา และ 30 องศา

เพื่อให้เข้าใจการกระจายตัวของของไหลภายในท่อที่มุมการติดตั้งที่แตกต่างกันได้ดีขึ้น โดยยกตัวอย่างมุมการติดตั้ง 30 องศาและ 50 องศาทั้งสองกรณี เมื่อความเร็วการไหลของทางเข้าเท่ากับ 10 เมตร/วินาที แผนที่รูปร่างความเร็วของเส้นทางที่หนึ่งและสามจะแสดงในรูปที่ 3.4

ติดต่อทีมวิศวกรของเราวันนี้เพื่อรับการประเมินความเป็นไปได้ของสภาพท่อและข้อกำหนดในการวัดฟรี