- Bởi LiuXing, Kỹ sư đo lưu lượng cao cấp với 15+ năm kinh nghiệm trong lĩnh vực R&D về lưu lượng kế siêu âm,

được chứng nhận về phân tích CFD (ANSYS Fluent Professional)

Giá trị kỹ thuật của mô phỏng cấu trúc đường ống đo lưu lượng siêu âm chèn

Tại sao cần có công nghệ mô phỏng?

Trong kỹ thuật thực tế, hiệu suất chènmáy đo lưu lượng siêu âmbị ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện đường ống. Các phương pháp truyền thống dựa vào việc-gỡ lỗi lặp đi lặp lại trên trang web, việc này không chỉ tốn kém mà còn có thể chỉ phát hiện ra lỗi thiết kế sau khi vận hành thử. Sự ra đời của công nghệ mô phỏng đã thay đổi tình trạng này, cho phép các kỹ sư xác định và giải quyết các vấn đề tiềm ẩn ở giai đoạn thiết kế.

Giá trị cốt lõi của nó nằm ở chỗ: chuyển "chi phí thử-và-sai" từ hiện trường sang máy tính, thay thế các thí nghiệm vật lý đắt tiền bằng các phép tính số.

Sáu vấn đề kỹ thuật chính được giải quyết bằng mô phỏng

Cách xác định vị trí đầu dò

Vận tốc dòng chảy trong đường ống phân bố không đồng đều. Khuỷu tay và van tạo ra các xoáy cục bộ và việc lắp đặt đầu dò ở những khu vực này sẽ dẫn đến kết quả đọc bị sai lệch. Các kỹ sư sử dụng các phép tính cơ học chất lỏng để trực quan hóa vectơ vận tốc tại mọi điểm trong đường ống, từ đó chọn các mặt cắt-trường dòng chảy tương đối ổn định để lắp đặt cảm biến, điều này cần thiết để xác định hệ số hiệu chỉnh cấu hình dòng chảy (FPCF) chính xác.

Thực tế cho thấy: những khác biệt nhỏ về góc nghiêng của đầu dò (ở mức 5 độ) sẽ làm thay đổi trạng thái dòng chảy trong khu vực đo. Việc kiểm tra một cách có hệ thống các cấu hình nhiều góc để tìm ra giải pháp với sai số tối thiểu gần như không thực tế trong các thí nghiệm vật lý, nhưng phân tích tính toán có thể được hoàn thành trong vòng vài ngày trong khi tính đến các hiệu ứng lồi và lõm của đầu dò.

Điểm nghẽn chính xác ở đâu

Phép đo siêu âm dựa trên nguyên tắc "chênh lệch thời gian" và những thay đổi về thông số chất lỏng (nhiệt độ, áp suất, thành phần) đều ảnh hưởng đến tốc độ âm thanh. Các công thức thực nghiệm đơn giản khó có thể bao quát hết mọi điều kiện vận hành, đặc biệt khi đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác khi chuyển giao quyền giám hộ.

Mô phỏng thiết lập mối quan hệ ánh xạ giữa các tham số đầu vào và độ lệch đo thông qua phân tích phụ thuộc số Reynolds. Ví dụ, khi nhiệt độ chất lỏng dao động ±10 độ thì vận tốc âm thanh thay đổi bao nhiêu? Thay đổi này chuyển thành lỗi luồng như thế nào? Với dữ liệu định lượng này, các thuật toán bù nhiệt độ hiệu quả có thể được thiết kế.

Cách xử lý các trạng thái dòng chảy phức tạp

Mô hình dòng chảy tầng trong sách giáo khoa hiếm khi xuất hiện trong đường ống thực tế. Sự nhiễu loạn, dòng thứ cấp và thậm chí cả dòng khí-lỏng hai{2}}pha khiến cho cấu hình vận tốc bị sai lệch nghiêm trọng so với trạng thái lý tưởng. Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) có thể tái tạo những hiện tượng phức tạp này. Các trường hợp kỹ thuật cho thấy: độ lệch vận tốc đáng kể vẫn tồn tại ở 15 đường kính ống ở phía hạ lưu của một khúc cua 90 độ nhất định. Nếu không hiểu điều này, lưu lượng được tính theo các giả định trường dòng chảy tiêu chuẩn có thể sai lệch vài điểm phần trăm, đặc biệt ảnh hưởng đến siêu âm đa đường.đồng hồ đo lưu lượngđộ chính xác tích hợp

Tối ưu hóa đường truyền sóng âm

Sóng siêu âm gặp phải nhiễu như phản xạ thành ống, tán xạ mối hàn và sự không đồng đều của môi trường trong quá trình truyền. Tác động tích lũy của các yếu tố này có thể làm suy yếu cường độ tín hiệu hoặc gây ra nhiễu.

Mô phỏng âm thanh sử dụng kỹ thuật mô phỏng dò tia âm thanh cho thấy quỹ đạo thực tế của chùm tia bên trong đường ống. Một số cấu hình hình học tạo ra "vùng bóng âm", dẫn đến tín hiệu thu được cực kỳ yếu; các cấu hình khác, mặc dù có tín hiệu mạnh nhưng lại có hiệu ứng đa đường gây méo dạng sóng. Thông qua phân tích so sánh, các kỹ sư có thể chọn sơ đồ sắp xếp có tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu tối ưu.

Đảm bảo hiệu suất theo các ràng buộc cài đặt

Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn thường yêu cầu đường kính ống 20 của phần ống thẳng phía thượng nguồn, nhưng điều kiện hiện trường thường không thể đáp ứng yêu cầu này. Chi phí sửa đổi đường ống có thể lên tới hàng trăm ngàn đô la.

Mô phỏng cung cấp đánh giá tính khả thi cho "việc cài đặt không{0}}chuẩn". Bằng cách tính toán mức độ phục hồi trường dòng chảy theo các đoạn ống thẳng có độ dài khác nhau, kết hợp với bù cấu hình nhiều{2}}đường dẫncông nghệbằng cách sử dụng phương pháp tích hợp Gauss-Jacobi, có thể đạt được độ chính xác đủ tiêu chuẩn trong không gian chỉ có đường kính ống 6-8. Điều này yêu cầu phân tích tùy chỉnh cho các dự án cụ thể, thay vì chỉ áp dụng các thông số kỹ thuật, đồng thời đảm bảo xác thực tuân thủ ISO 17089.

Khả năng áp dụng cho phương tiện đặc biệt

Các điều kiện vận hành như chất lỏng-có độ nhớt cao, bùn chứa các hạt rắn và khí áp suất cao-nhiệt độ cao{2}}có đặc tính dòng chảy khác biệt đáng kể so với chất lỏng thông thường. Việc cài đặt vội vàng có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị hoặc lỗi đo lường.

Mô phỏng cho phép thử nghiệm các điều kiện khắc nghiệt trong môi trường ảo. Ví dụ: tính toán xem lực tác động của dòng khí có vận tốc-cao lên đầu dò có gây ra sự cộng hưởng cấu trúc thông qua dự đoán tần số xoáy xoáy hay không; hoặc phân tích xem tần số tác động của hạt có làm tăng tốc độ hao mòn cảm biến hay không. Thông tin này hướng dẫn lựa chọn vật liệu và thiết kế cốt thép kết cấu.

Ranh giới ứng dụng kỹ thuật

Mô phỏng không phải là toàn năng. Độ chính xác của nó phụ thuộc vào:

• Liệu mô hình toán học có bao gồm các quá trình vật lý thực tế hay không
• Liệu cài đặt điều kiện biên có phù hợp với tình huống thực tế hay không
• Liệu tài nguyên tính toán có đủ cho giải pháp tinh tế hay không

Đối với hiện tượng dòng chảy hoàn toàn mới hoặc điều kiện vận hành khắc nghiệt, kết quả mô phỏng cần xác thực dữ liệu thực nghiệm. Tuy nhiên, mô phỏng vẫn có thể thu hẹp đáng kể phạm vi thử nghiệm, tập trung vào các thông số chính và cải thiện đáng kể hiệu quả nghiên cứu và phát triển.

Hình 3.1: Máy đo lưu lượng siêu âm kiểu chèn-

Hình 3.1 cho thấy lưu lượng kế siêu âm loại{1}}chèn thường được sử dụng. Nguyên lý làm việc của nó là lắp đặt một cặp cảm biến siêu âm ở cả hai phía của đường ống và đạt được phép đo lưu lượng chính xác bằng cách phát hiện và tính toán sự khác biệt giữa vận tốc xung siêu âm ở dòng chảy xuôi dòng và ngược dòng. Trong quá trình đo, các cảm biến luân phiên truyền và nhận tín hiệu siêu âm theo các hướng ngược nhau. Tín hiệu siêu âm lan truyền ở dòng xuôi dòng nhanh hơn ở dòng ngược dòng; khi chất lỏng đứng yên thì chênh lệch thời gian bằng không. Do đó, bằng cách đo thời gian lan truyền của sóng siêu âm ở dòng chảy xuôi dòng và ngược dòng, có thể thu được chênh lệch thời gian t. Theo mối quan hệ giữa t và tốc độ dòng chảy V, tốc độ dòng chảy trung bình của chất lỏng có thể được đo gián tiếp và tốc độ dòng thể tích Q có thể được tính toán dựa trên diện tích mặt cắt ngang của đường ống.

Thiết kế kênh chất lỏng nên xem xét tốc độ dòng chất lỏng và phạm vi dòng chảy, trong đó thiết kế đường ống cần tập trung nhiều hơn vào phạm vi tốc độ dòng chất lỏng để đảm bảo độ chính xác của phép đo dòng chảy. Tốc độ dòng chất lỏng quá cao hoặc quá thấp cuối cùng sẽ ảnh hưởng đến đặc tính truyền của tín hiệu siêu âm.

Kích thước đường ống, cụ thể là đường kính trong của đường ống, cần phải khớp với đường kính trong của đường ống đo được để giảm nhiễu loạn dòng chất lỏng và do đó tránh ảnh hưởng đến kết quả đo cuối cùng. Cấu trúc hỗ trợ trong cấu trúc đường ống nên chọn vật liệu chống ăn mòn-và chống mài mòn-để kéo dài tuổi thọ sử dụng; đồng thời cần thiết kế hợp lý để đảm bảo sự ổn định khi vận tốc dòng chảy cao hoặc áp suất cao. Đầu dò siêu âm cần chọn loại đầu dò siêu âm thích hợp (chẳng hạn như loại sóng dẫn hướng hoặc loại phản xạ) theo yêu cầu ứng dụng, sau đó chọn vị trí thích hợp để lắp đặt đầu dò siêu âm để đảm bảo tín hiệu siêu âm có thể đi qua toàn bộ đường ống một cách hiệu quả.
Ngoài các yếu tố trên, nghiên cứu do Tang Xiaoyu [103] và các học giả khác từ Đại học Chiết Giang thực hiện còn bao gồm: trong điều kiện uốn cong 90 độ và uốn cong 180 độ, ảnh hưởng của sự phân bố tốc độ dòng chảy không-lý tưởng trên từng đường truyền âm của lưu lượng kế siêu âm, đặc biệt là tác động đến việc đo vận tốc dòng chảy và độ chính xác của lưu lượng kế. Zhang Zhijun và Zhu Yingsheng[102] và các học giả khác, dựa trên nghiên cứu trước đó, đã sử dụng công nghệ mô phỏng CFD để tiến hành phân tích mô phỏng trên 7 góc (cách nhau 5 độ) trong khoảng từ 30 độ đến 60 độ cho các góc lắp đặt đầu dò siêu âm. Kết quả cho thấy: các góc lắp đặt khác nhau ảnh hưởng đến sự phân bố vận tốc dòng chảy trong phần rãnh của đường truyền âm. Đồng thời, sai số tương đối giữa tốc độ dòng mô phỏng và tốc độ dòng lý tưởng đã được phân tích và xác định rằng góc lắp đặt đầu dò tối ưu cho lưu lượng kế siêu âm khí đường kính DN80 được thiết kế là 50 độ.

Nghiên cứu mô phỏng đường ống đo lưu lượng siêu âm-loại chèn

Nghiên cứu mô phỏng xem xét ba khía cạnh:

Mô phỏng động lực học chất lỏng, mô phỏng lan truyền siêu âm và mô phỏng cơ học kết cấu. Sử dụng mô hình CFD (Động lực học chất lỏng tính toán), dòng chất lỏng bên trong đường ống có thể được mô phỏng và sau đó có thể phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như phân bố tốc độ dòng chảy và dòng xoáy đến việc truyền tín hiệu siêu âm. Trong quá trình mô phỏng, cần kiểm tra các xoáy, bong bóng, v.v. có thể có trong chất lỏng để tránh ảnh hưởng nhiều nhất có thể đến phép đo siêu âm.
Lấy ảnh hưởng của các góc lắp đặt đầu dò khác nhau đến sự phân bố tốc độ dòng chảy làm ví dụ, nếu tổng chiều dài thân của lưu lượng kế đường ống là L=230 mm và đường kính là D=80 mm. Đặt góc lắp đặt đầu dò ở mức 30 độ ~ 60 độ và thiết lập mô hình mô phỏng ở các khoảng 5 độ. Các góc lắp đặt khác nhau được thể hiện trong Hình 3.2. Để giảm mức tiêu thụ bộ nhớ máy tính và tải tính toán khi phần mềm ANSYS thực hiện mô phỏng, mô hình CFD của lưu lượng kế siêu âm khí có thể được đơn giản hóa ở một mức độ nào đó, chỉ xem xét việc thiết lập đường kính trong của vỏ lưu lượng kế và mô hình đầu dò, phần còn lại tạm thời bị bỏ qua.
Mô hình hình học được chia thành ba phần: đường ống phía trước, lưu lượng kế siêu âm khí và đường ống phía sau. Trong số đó, các đường ống phía trước và phía sau sử dụng lưới có cấu trúc, lưu lượng kế siêu âm khí ở giữa sử dụng lưới tứ diện và kết nối bề mặt Giao diện được sử dụng tại các điểm kết nối, với sự sàng lọc lưới ở các bề mặt kết nối. Các đường ống thẳng đầu ra và đầu vào sử dụng lưới có cấu trúc dưới dạng lưới lục giác, với kích thước mắt lưới tối đa được đặt thành 2, Spacing1 (khoảng cách lưới lớp ranh giới thứ nhất) là 1,5, Tỷ lệ1 (tốc độ tăng trưởng lưới lớp ranh giới thứ nhất) là 2, Spacing2 (khoảng cách lưới lớp ranh giới thứ hai) là 1,5 và Tỷ lệ2 (tốc độ tăng trưởng lưới lớp ranh giới thứ hai) là 2. Kích thước mắt lưới tối đa của phần thân máy đo lưu lượng siêu âm khí là 5; sàng lọc cục bộ được áp dụng cho lưới đầu dò có kích thước mắt lưới tối đa là 1,5; tinh chỉnh cục bộ được áp dụng cho lưới giao diện, giữ kích thước mắt lưới ở mức 2.

Hình 3.2 Sơ đồ đầu dò ở các góc lắp đặt khác nhau

Biểu đồ kết quả tối ưu hóa góc đầu dò

Lựa chọn và thiết lập phần mềm mô phỏng CFD

ANSYS thông thạo so với COMSOL:Cái nào tốt hơn cho việc mô phỏng lưu lượng kế siêu âm?
So sánh mô hình nhiễu loạn:k-ε vs k-ω SST vs RSM cho số Reynolds 10⁴-10⁷
Tiêu chí chất lượng lưới:y+ < 1, tỷ lệ khung hình < 100, độ lệch < 0,85

Hình 3.3: Mô hình mô hình

Do gradient vận tốc lớn gần bề mặt tường, việc sàng lọc lưới lớp ranh giới được áp dụng, sử dụng định luật tăng trưởng theo cấp số nhân, với Chiều cao ban đầu (chiều cao ban đầu) được đặt thành 0,1, Tỷ lệ chiều cao (tỷ lệ của mỗi lớp ranh giới) là 1,2, Số lớp (số lớp ranh giới) là 3 và Tổng chiều cao (tổng chiều cao của các lớp ranh giới) là 0,7. Tổng số lưới cuối cùng là khoảng 1,5 triệu. Lấy góc lắp đặt đầu dò bốn đường dẫn DN80-là 50 độ làm ví dụ, kết quả phân chia lưới được hiển thị trong Hình 3.3.

Hình 3.4: Sơ đồ đường viền vận tốc tại cửa vào Vận tốc dòng chảy 10 m/s, Góc lắp đặt 50 độ và 30 độ

Để hiểu rõ hơn về sự phân bố chất lỏng bên trong đường ống ở các góc lắp đặt khác nhau, lấy hai trường hợp góc lắp đặt 30 độ và 50 độ làm ví dụ, khi tốc độ dòng chảy vào là 10 m/s, sơ đồ đường đồng mức vận tốc của đường một và ba được thể hiện trong Hình 3.4.

Hãy liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi ngay hôm nay để được đánh giá tính khả thi miễn phí về điều kiện đường ống và yêu cầu đo lường của bạn.