Nghiên cứu mô phỏng máy đo lưu lượng siêu âm kẹp ngoài
Nghiên cứu mô phỏng bên ngoàikẹp vàomáy đo lưu lượng siêu âmliên quan đến việc mô hình hóa và mô phỏng nguyên lý làm việc và hiệu suất của đồng hồ đo lưu lượng để tối ưu hóa thiết kế, cải thiện độ chính xác của phép đo hoặc đánh giá hiệu suất của nó trong các điều kiện vận hành khác nhau.
Mô hình mô phỏng số
Mô hình mô phỏng số được áp dụng để thiết lập các mô hình toán học về dòng chất lỏng và sự truyền sóng siêu âm, bao gồm các phương trình động lực học chất lỏng và phương trình âm thanh. Các công cụ Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) được sử dụng để mô hình hóa dòng chất lỏng. Những công cụ này có thể mô phỏng nhiễu loạn, phân bố tốc độ dòng chảy, v.v. và phân tích tác động của việc truyền sóng siêu âm. Dựa trên CFD, phân tích âm thanh được thực hiện để mô phỏng sự truyền và phản xạ của tín hiệu siêu âm. Có thể sử dụng phần mềm mô phỏng âm thanh (chẳng hạn như mô-đun âm thanh trong COMSOL Multiphysicals) để hoàn thành việc này. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) của cấu trúc cảm biến siêu âm được tiến hành để hiểu hiệu suất của nó trong các điều kiện khác nhau. FEA giúp phân tích ảnh hưởng của sự giãn nở nhiệt, độ rung, v.v. đến kết quả đo. Sự tiếp xúc giữa cảm biến và đường ống được xem xét trong mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của nó đến việc truyền siêu âm.
Xác minh và tối ưu hóa phòng thí nghiệm
Trong phòng thí nghiệm, băng thử dòng chảy được sử dụng để đo lưu lượng thực tế và kết quả được so sánh với kết quả mô phỏng để xác minh tính chính xác của mô hình mô phỏng. Các thông số của mô hình mô phỏng được điều chỉnh dựa trên kết quả thực nghiệm để nâng cao độ chính xác dự đoán. Thông qua mô phỏng, vị trí, thiết kế cố định và phương pháp lắp đặt của cảm biến được tối ưu hóa để cải thiện độ chính xác và độ ổn định của phép đo. Theo dõi thích hợpkẹp hướng dẫn lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng siêu âmlà rất quan trọng trong quá trình tối ưu hóa này, vì việc lắp đặt không chính xác có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của phép đo. Các điều kiện lỗi khác nhau (chẳng hạn như bong bóng, hạt rắn) được mô phỏng trong mô phỏng để đánh giá tác động của chúng đến hiệu suất của đồng hồ đo lưu lượng. Trong quá trình thử nghiệm, cần xem xét các tính chất vật lý của chất lỏng (như nhiệt độ và áp suất), vì những tính chất này ảnh hưởng đến tốc độ truyền sóng siêu âm. Ngoài ra, nhiễu và nhiễu trong môi trường thực có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu siêu âm, điều này cũng đòi hỏi phải tối ưu hóa các thuật toán xử lý tín hiệu thông qua mô phỏng và thử nghiệm.
Phân tích mô phỏng đa vật lý COMSOL
Lấy phần mềm COMSOL Multiphysical 5.6 làm ví dụ để xây dựng mô hình và phân tích mô phỏng, mô phỏng có thể phân tích tác động của các góc khác nhau, vật liệu đường ống, đường kính ống, tần số siêu âm và phương pháp lắp đặt lên quá trình truyền sóng siêu âm. Sơ đồ mô hình đo lưu lượng siêu âm được thể hiện trên hình 3.6. Để nâng cao hiệu quả tính toán của giải pháp mô hình 3D, chúng ta thường sử dụng tính đối xứng để mô phỏng một nửa kênh để thể hiện toàn bộ mô hình. Trong quá trình xây dựng mô hình, cần xem xét ảnh hưởng của các vật liệu đường ống khác nhau đến góc khúc xạ siêu âm, cũng như khoảng cách dịch chuyển ngang khác nhau của hai đầu dò được lắp đặt dưới các đường kính ống khác nhau.
Hình 3.6 Sơ đồ xây dựng mô hình đo lưu lượng siêu âm
Phương pháp lắp đặt đầu dò
Để đáp ứng các yêu cầu chung để đo các đường kính ống khác nhau, nên sử dụng tần số làm việc khác nhau của đầu dò siêu âm và phương pháp lắp đặt đầu dò khác nhau trong đo lưu lượng siêu âm. cáckẹp trên loại máy đo lưu lượng siêu âmmang lại những lợi thế đặc biệt về mặt này vì nó cho phép cài đặt không-xâm lấn mà không cần cắt đường ống hoặc tắt quy trình. Các phương pháp cài đặt phổ biến bao gồm hình chữ V{2}}, hình chữ Z-, hình chữ N- và hình chữ W-. Để nghiên cứu ảnh hưởng của các phương pháp lắp đặt đầu dò khác nhau đến tín hiệu truyền sóng siêu âm, cần tiến hành các nghiên cứu liên quan. Bài viết này chủ yếu sử dụng mô phỏng mô hình phương pháp lắp đặt đầu dò hình chữ Z làm ví dụ minh họa.
Phương pháp Galerkin không liên tục và phân chia lưới
Trong COMSOL Multiphysical 5.6, mô-đun giao diện "Phương trình đối lưu, rõ ràng miền thời gian" được sử dụng và theo mặc định, nó tạo thành một phần của công thức với các hàm bậc bốn. Để giải các bài toán về sóng, phương pháp Galerkin gián đoạn đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả. Phương pháp Galerkin không liên tục đơn giản hóa bài toán phân chia lưới trong các mô hình lớn, cho phép sử dụng các lưới tứ diện tự do có kích thước một nửa bước sóng- và cuối cùng giải được toàn bộ mô hình. Trong phân chia lưới thực tế, chúng tôi thường đặt kích thước phần tử lưới thành bất kỳ giá trị nào trong khoảng từ nửa bước sóng đến 2{5}}bước sóng để có được độ phân giải không gian thích hợp. Khi sử dụng bộ giải rõ ràng miền thời gian{7}}, kích thước bước thời gian nội bộ được kiểm soát chặt chẽ bởi phần mềm COMSOL, do đó phần tử lưới nhỏ nhất trong mô hình sẽ kiểm soát bước thời gian. Khi thiết lập các phần tử lưới tứ diện tự do, phải kiểm soát kích thước phần tử tối đa và tối thiểu. Trong COMSOL Multiphysical 5.6, đối với giao diện rõ ràng{11}}miền thời gian "Phương trình đối lưu", bước thời gian bên trong được chọn tự động dựa trên mức sàng lọc và thuộc tính vật lý của lưới. Hình 3.7 cho thấy sự phân chia lưới để nghiên cứu tốc độ dòng chảy nền và âm học bằng phương pháp cài đặt hình chữ Z.
(a) Vận tốc dòng chảy nền (b) Âm học
Hình 3.7 Phân chia lưới để nghiên cứu vận tốc dòng chảy nền và âm thanh tại các thời điểm khác nhau
Cấu hình trường vật lý
Sau khi mô hình được xây dựng, các trường vật lý cần được thiết lập. Miền chất lỏng trong đường ống được đặt làm trường vật lý dòng chảy tầng hoặc hỗn loạn để mô phỏng chất lỏng trong đường ống trong quá trình sử dụng thực tế; miền chất lỏng trong đường ống, đường ống và bộ chuyển đổi ở cả hai phía của đường ống được đặt làm trường vật lý "Phương trình đối lưu, miền thời gian rõ ràng" để mô phỏng sự lan truyền của sóng siêu âm. Trong thiết lập trường vật lý "Phương trình đối lưu, rõ ràng trong miền thời gian", các đầu của đường ống được xác định là ranh giới trở kháng để cắt bớt phép tính. Trong mô phỏng tầng hoặc hỗn loạn, đầu vào chất lỏng ở bên trái và đầu ra chất lỏng ở bên phải. MỘTbuộc dây vàomáy đo lưu lượng siêu âmcấu hình được thiết lập với một máy phát siêu âm được lắp đặt ở phía dưới của đường ống và một máy thu được lắp đặt ở phía trên. Vận tốc bình thường được áp dụng ở đầu máy phát để phát ra sóng siêu âm.
Mô hình hóa và phân tích trạng thái chất lỏng
Khi sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysical 5.6 để mô phỏng đo lưu lượng siêu âm, trạng thái chất lỏng trong đường ống cần được mô hình hóa và phân tích trước tiên. Lấy một ống PVC có đường kính ngoài 15 mm và độ dày thành 0,75 mm làm ví dụ, các mô phỏng tầng và hỗn loạn đã được thực hiện. Những mô phỏng này rất cần thiết để hiểu cách thứcdây đeo siêu âm trên đồng hồ đo lưu lượngthực hiện trong các điều kiện dòng chảy khác nhau. Mô phỏng dòng chảy tầng sử dụng mô-đun "Dòng chảy tầng" trong COMSOL Multiphysical 5.6 để thiết lập trường vật lý và mô phỏng dòng chảy rối sử dụng mô-đun "Dòng chảy rối, k{2}}ω". Hình 3.8 cho thấy độ lớn của vận tốc dòng chảy nền trong điều kiện chảy tầng và rối.
Từ hình 3.8 có thể thấy, trong điều kiện dòng chảy tầng, tốc độ dòng chảy trong từng phần của đường ống gần như đồng đều, gần bằng tốc độ dòng trung bình của chất lỏng nền. Theo sơ đồ, màu đậm hơn ở giữa đường ống biểu thị tốc độ dòng chảy cao hơn.
(a) Dòng chảy tầng (b) Dòng chảy hỗn loạn
Hình 3.8 Độ lớn của vận tốc dòng chảy nền ở các trạng thái chất lỏng khác nhau
Phân tích vận tốc dòng chảy nền
Để hiển thị rõ hơn vận tốc dòng chảy trong từng phần của đường ống, một phần của đường ống đã được chọn để vẽ đường cong vận tốc dòng chảy nền. Hình 3.9 thể hiện đường cong vận tốc dòng chảy nền trong điều kiện dòng chảy tầng và dòng chảy rối.
Đối với ống PVC có đường kính ngoài 15 mm và độ dày thành 0,75 mm, phân tích mô phỏng đã được tiến hành. Kết quả mô phỏng sử dụng mô-đun "Dòng chảy tầng" được thể hiện trong Hình 3.9(a). Có thể thấy rằng ở trạng thái dòng chảy tầng, sự chuyển đổi tốc độ dòng chảy chỉ xảy ra trong phạm vi 5 mm trên bề mặt ống, trong khi tốc độ dòng chảy ở các vị trí khác là khoảng 10 m/s, cho thấy chất lỏng có độ trễ dòng chảy gần thành ống do ma sát đường ống. Ngược lại, kết quả mô phỏng sử dụng mô-đun "Dòng chảy rối, k{8}}ω" được thể hiện trên Hình 3.9(b). Có thể thấy, trong điều kiện tốc độ dòng chảy trung bình là 10 m/s, tốc độ dòng chảy gần thành ống khoảng 4,5 m/s, tốc độ dòng chảy ở tâm đường ống có thể đạt xấp xỉ 12,2 m/s, với sự phân bố vận tốc dòng chảy tạo thành hình parabol.
(a) Dòng chảy tầng
(b) Dòng chảy rối
Hình 3.9 Đường cong vận tốc dòng chảy nền ở các trạng thái chất lỏng khác nhau
Bạn cũng có thể quan tâm đến những chủ đề này.
