دراسة محاكاة مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية للمشبك الخارجي: تحسين التصميم وتحسين الدقة

دراسة محاكاة لمقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية ذو المشبك الخارجي

دراسة المحاكاة الخارجيةالمشبك علىمقياس التدفق بالموجات فوق الصوتيةيتضمن نمذجة ومحاكاة مبدأ العمل وأداء مقياس التدفق لتحسين تصميمه، أو تحسين دقة القياس، أو تقييم أدائه في ظل ظروف تشغيل مختلفة.

نمذجة المحاكاة العددية

يتم تطبيق نمذجة المحاكاة العددية لإنشاء نماذج رياضية لتدفق السوائل وانتشار الموجات فوق الصوتية، بما في ذلك معادلات ديناميكيات الموائع والمعادلات الصوتية. تُستخدم أدوات ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) لنمذجة تدفق الموائع. يمكن لهذه الأدوات محاكاة الاضطراب، وتوزيع سرعة التدفق، وما إلى ذلك، وتحليل تأثير انتشار الموجات فوق الصوتية. استنادًا إلى CFD، يتم إجراء التحليل الصوتي لمحاكاة انتشار وانعكاس إشارة الموجات فوق الصوتية. يمكن استخدام برامج المحاكاة الصوتية (مثل الوحدة الصوتية في COMSOL Multiphysics) لإكمال ذلك. يتم إجراء تحليل العناصر المحدودة (FEA) لهيكل مستشعر الموجات فوق الصوتية لفهم أدائه في ظل ظروف مختلفة. يساعد FEA في تحليل تأثيرات التمدد الحراري والاهتزاز وما إلى ذلك على نتائج القياس. يتم أخذ الاتصال بين المستشعر وخط الأنابيب في الاعتبار في المحاكاة لتقييم تأثيره على انتقال الموجات فوق الصوتية.

التحقق من المختبر والتحسين

في المختبر، يتم استخدام منضدة اختبار التدفق لقياس التدفق الفعلي، وتتم مقارنة النتائج مع نتائج المحاكاة للتحقق من دقة نموذج المحاكاة. يتم تعديل معلمات نموذج المحاكاة بناءً على النتائج التجريبية لتحسين دقة التنبؤ. من خلال المحاكاة، يتم تحسين موضع المستشعر وتصميم التركيب وطريقة التثبيت لتحسين دقة القياس واستقراره. التالية المناسبةالمشبك على المبادئ التوجيهية لتثبيت مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتيةيعد أمرًا بالغ الأهمية أثناء عملية التحسين هذه، حيث يمكن أن يؤثر التثبيت غير الصحيح بشكل كبير على دقة القياسات. تتم محاكاة ظروف الأعطال المختلفة (مثل الفقاعات والجسيمات الصلبة) في المحاكاة لتقييم تأثيرها على أداء مقياس التدفق. أثناء العملية التجريبية، يجب مراعاة الخصائص الفيزيائية للسائل (مثل درجة الحرارة والضغط)، حيث تؤثر هذه الخصائص على سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية. وبالإضافة إلى ذلك، قد تؤثر الضوضاء والتداخل في البيئة الحقيقية على جودة إشارة الموجات فوق الصوتية، الأمر الذي يتطلب أيضًا تحسين خوارزميات معالجة الإشارات من خلال عمليات المحاكاة والتجارب.

تحليل محاكاة الفيزياء المتعددة COMSOL

بأخذ برنامج COMSOL Multiphysics 5.6 كمثال لبناء النماذج وتحليل المحاكاة، يمكن لعمليات المحاكاة تحليل تأثير الزوايا المختلفة، ومواد خطوط الأنابيب، وأقطار الأنابيب، وترددات الموجات فوق الصوتية، وطرق التثبيت على انتشار الموجات فوق الصوتية. يظهر الرسم التخطيطي لنموذج قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية في الشكل 3.6. لتحسين الكفاءة الحسابية لحل النموذج ثلاثي الأبعاد، نستخدم عادةً التناظر لمحاكاة نصف القناة لتمثيل النموذج بأكمله. أثناء عملية بناء النموذج، ينبغي النظر في تأثير مواد خطوط الأنابيب المختلفة على زاوية الانكسار بالموجات فوق الصوتية، فضلا عن مسافات الإزاحة الأفقية المختلفة لمحولي الطاقة المثبتين تحت أقطار مختلفة من الأنابيب.

Schematic Diagram of Ultrasonic Flow Measurement Model Construction

الشكل 3.6 رسم تخطيطي لبناء نموذج قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية

طرق تركيب محول الطاقة

لتلبية المتطلبات العامة لقياس أقطار الأنابيب المختلفة، ينبغي استخدام ترددات العمل المختلفة لمحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية وطرق تركيب محولات الطاقة المختلفة في قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية. الالمشبك على نوع مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتيةيقدم مزايا خاصة في هذا الصدد، حيث أنه يسمح بالتركيب غير الغزوي-دون الحاجة إلى قطع الأنابيب أو إيقاف العملية. تتضمن طرق التثبيت الشائعة الشكل V-، والشكل Z-، والشكل N-، والشكل W-. لدراسة تأثير طرق تركيب محولات الطاقة المختلفة على إشارات انتشار الموجات فوق الصوتية، من الضروري إجراء البحوث ذات الصلة. تستخدم هذه المقالة بشكل أساسي محاكاة نمذجة طريقة تثبيت محول الطاقة على شكل Z كمثال للعرض التوضيحي.

طريقة جاليركين المتقطعة وتقسيم الشبكة

في COMSOL Multiphysics 5.6، يتم استخدام وحدة الواجهة "معادلة الحمل الحراري، المجال الزمني الصريح"، وهي تشكل بشكل افتراضي جزءًا من الصيغة ذات الدوال الربعية. لحل مشاكل الموجات، أثبتت طريقة جاليركين المتقطعة أنها طريقة فعالة. تعمل طريقة جاليركين المتقطعة على تبسيط مشكلة تقسيم الشبكة في النماذج الكبيرة، مما يسمح باستخدام شبكات رباعية السطوح ذات حجم نصف - من الطول الموجي، وأخيرًا حل النموذج بأكمله. في التقسيم الفعلي للشبكة، نقوم عادةً بتعيين حجم عنصر الشبكة على أي قيمة تتراوح بين نصف الطول الموجي و-ثلثي الطول الموجي للحصول على الدقة المكانية المناسبة. عند استخدام الحل الصريح للمجال الزمني-، يتم التحكم بدقة في حجم خطوة الوقت الداخلي بواسطة برنامج COMSOL، وبالتالي فإن أصغر عنصر شبكة في النموذج يتحكم في خطوة الوقت. عند تعيين عناصر الشبكة رباعية السطوح الحرة، يجب التحكم في الحد الأقصى والحد الأدنى لأحجام العناصر. في COMSOL Multiphysics 5.6، بالنسبة للواجهة الصريحة للمجال الزمني "معادلة الحمل الحراري"-، يتم تحديد خطوة الوقت الداخلية تلقائيًا استنادًا إلى مستوى تحسين الشبكة والخصائص الفيزيائية. يوضح الشكل 3.7 تقسيم الشبكة لدراسة سرعة تدفق الخلفية والصوتيات باستخدام طريقة تركيب الشكل Z-.

Grid Division for Studying Background Flow Velocity and Acoustics at Different Times

(أ) سرعة تدفق الخلفية (ب) الصوتيات

الشكل 3.7 تقسيم الشبكة لدراسة سرعة تدفق الخلفية والصوتيات في أوقات مختلفة

تكوين المجال المادي

بعد إنشاء النموذج، يجب تعيين المجالات المادية. يتم تعيين المجال السائل في خط الأنابيب كمجال فيزيائي للتدفق الصفحي أو المضطرب لمحاكاة السائل في خط الأنابيب أثناء الاستخدام الفعلي؛ يتم تعيين المجال السائل في خط الأنابيب، وخط الأنابيب، ومحولات الطاقة على جانبي خط الأنابيب كمجال مادي "معادلة الحمل الحراري، المجال الزمني الصريح" لمحاكاة انتشار الموجات فوق الصوتية. في إعداد الحقل الفعلي "معادلة الحمل الحراري، المجال الزمني الصريح"، يتم تعريف نهايات خط الأنابيب كحدود مقاومة لاقتطاع الحساب. في عمليات المحاكاة الصفحية أو المضطربة، يكون مدخل السائل على اليسار، ويكون مخرج السائل على اليمين. أحزام علىمقياس التدفق بالموجات فوق الصوتيةيتم إنشاء التكوين باستخدام جهاز إرسال بالموجات فوق الصوتية مثبت على الجانب السفلي من خط الأنابيب، وجهاز استقبال مثبت على الجانب العلوي. يتم تطبيق سرعة عادية في نهاية جهاز الإرسال لإصدار موجات فوق صوتية.

نمذجة حالة السوائل وتحليلها

عند استخدام برنامج COMSOL Multiphysics 5.6 لمحاكاة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية، يجب نمذجة حالة السائل في خط الأنابيب وتحليلها أولاً. بأخذ أنبوب PVC بقطر خارجي 15 مم وسمك جدار 0.75 مم كمثال، تم إجراء عمليات محاكاة الصفحي والمضطرب. تعتبر عمليات المحاكاة هذه ضرورية لفهم كيفية حدوث ذلكحزام بالموجات فوق الصوتية على مقياس التدفقينفذ في ظل ظروف التدفق المختلفة. تستخدم محاكاة التدفق الصفحي وحدة "التدفق الصفحي" في COMSOL Multiphysics 5.6 لإعداد المجال المادي، وتستخدم محاكاة التدفق المضطرب وحدة "التدفق المضطرب، k-ω". ويبين الشكل 3.8 حجم سرعة تدفق الخلفية في ظل الظروف الصفحية والمضطربة.

من الشكل 3.8، يمكن ملاحظة أنه في ظل ظروف التدفق الصفحي، تكون سرعة التدفق في كل جزء من خط الأنابيب موحدة تقريبًا، بالقرب من متوسط سرعة التدفق لسائل الخلفية. وفقًا للرسم التخطيطي، يشير اللون الأعمق في وسط خط الأنابيب إلى سرعة تدفق أعلى.

Magnitude of Background Flow Velocity Under Different Fluid States

(أ) التدفق الصفحي (ب) التدفق المضطرب

الشكل 3.8 حجم سرعة التدفق الخلفية في ظل حالات السوائل المختلفة

تحليل سرعة التدفق الخلفية

لعرض سرعة التدفق في كل جزء من خط الأنابيب بشكل أكثر وضوحًا، تم اختيار قسم من خط الأنابيب لرسم منحنى سرعة التدفق في الخلفية. ويبين الشكل 3.9 منحنيات سرعة التدفق الخلفية في ظل ظروف التدفق الصفحي والمضطرب.

بالنسبة لأنبوب PVC الذي يبلغ قطره الخارجي 15 مم وسمك جداره 0.75 مم، تم إجراء تحليل المحاكاة. تظهر نتائج المحاكاة باستخدام وحدة "التدفق الصفحي" في الشكل 3.9 (أ). يمكن ملاحظة أنه في حالة التدفق الصفحي، يحدث انتقال سرعة التدفق فقط ضمن نطاق 5 مم على سطح الأنبوب، في حين تبلغ سرعة التدفق في المواقع الأخرى حوالي 10 م/ث، مما يشير إلى أن السائل يعاني من تأخر التدفق بالقرب من جدار الأنبوب بسبب احتكاك الأنابيب. في المقابل، تظهر نتائج المحاكاة باستخدام وحدة "التدفق المضطرب، k-ω" في الشكل 3.9(ب). يمكن ملاحظة أنه في حالة متوسط سرعة تدفق تبلغ 10 م/ث، تبلغ سرعة التدفق بالقرب من جدار الأنبوب حوالي 4.5 م/ث، ويمكن أن تصل سرعة التدفق في وسط خط الأنابيب إلى حوالي 12.2 م/ث، مع تشكيل توزيع سرعة التدفق شكلًا مكافئًا.

Laminar Flow