Harici Kelepçeli Ultrasonik Debi Ölçer Simülasyon Çalışması
Dış simülasyon çalışmasıkelepçelemekultrasonik akış ölçertasarımını optimize etmek, ölçüm doğruluğunu geliştirmek veya farklı çalışma koşulları altında performansını değerlendirmek için akış ölçerin çalışma prensibini ve performansını modellemeyi ve simüle etmeyi içerir.
Sayısal Simülasyon Modelleme
Akışkan dinamiği denklemleri ve akustik denklemler dahil olmak üzere akışkan akışı ve ultrasonik dalga yayılımına yönelik matematiksel modeller oluşturmak için sayısal simülasyon modellemesi uygulanır. Akışkan akışını modellemek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) araçları kullanılır. Bu araçlar türbülansı, akış hızı dağılımını vb. simüle edebilir ve ultrasonik dalga yayılımının etkisini analiz edebilir. CFD'ye dayalı olarak, ultrasonik sinyalin yayılmasını ve yansımasını simüle etmek için akustik analiz gerçekleştirilir. Bunu tamamlamak için akustik simülasyon yazılımı (COMSOL Multiphysics'teki akustik modül gibi) kullanılabilir. Ultrasonik sensör yapısının Sonlu Eleman Analizi (FEA), farklı koşullar altındaki performansını anlamak için yapılır. FEA, termal genleşmenin, titreşimin vb. ölçüm sonuçları üzerindeki etkilerinin analiz edilmesine yardımcı olur. Sensör ile boru hattı arasındaki temas, ultrasonik iletim üzerindeki etkisini değerlendirmek için simülasyonda dikkate alınır.
Laboratuvar Doğrulaması ve Optimizasyonu
Laboratuvarda gerçek akış ölçümü için bir akış test tezgahı kullanılır ve simülasyon modelinin doğruluğunu doğrulamak için sonuçlar simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılır. Simülasyon modelinin parametreleri, tahmin doğruluğunu artırmak için deneysel sonuçlara göre ayarlanır. Simülasyon yoluyla sensörün konumu, fikstür tasarımı ve kurulum yöntemi, ölçüm doğruluğunu ve kararlılığını artırmak için optimize edilir. Uygun takipultrasonik debimetre kurulum talimatlarındaki kelepçeYanlış kurulum, ölçümlerin doğruluğunu önemli ölçüde etkileyebileceğinden, bu optimizasyon sürecinde çok önemlidir. Debimetre performansı üzerindeki etkilerini değerlendirmek için simülasyonda farklı arıza koşulları (kabarcıklar, katı parçacıklar gibi) simüle edilir. Deneysel işlem sırasında, akışkanın fiziksel özelliklerinin (sıcaklık ve basınç gibi) dikkate alınması gerekir çünkü bu özellikler ultrasonik dalga yayılma hızını etkiler. Ayrıca gerçek ortamdaki gürültü ve girişim, ultrasonik sinyalin kalitesini etkileyebilir, bu da sinyal işleme algoritmalarının simülasyonlar ve deneyler yoluyla optimizasyonunu gerektirir.
COMSOL Multifizik Simülasyon Analizi
Model oluşturma ve simülasyon analizi için COMSOL Multiphysics 5.6 yazılımını örnek alarak simülasyonlar, farklı açıların, boru hattı malzemelerinin, boru çaplarının, ultrasonik frekansların ve kurulum yöntemlerinin ultrasonik dalga yayılımı üzerindeki etkisini analiz edebilir. Ultrasonik akış ölçüm modelinin şematik diyagramı Şekil 3.6'da gösterilmektedir. 3D model çözümünün hesaplama verimliliğini artırmak amacıyla, modelin tamamını temsil edecek şekilde kanalın yarısını simüle etmek için genellikle simetriyi kullanırız. Model oluşturma işlemi sırasında, farklı boru çapları altına monte edilen iki transdüser için farklı yatay yer değiştirme mesafelerinin yanı sıra, farklı boru hattı malzemelerinin ultrasonik kırılma açısı üzerindeki etkisi de dikkate alınmalıdır.
Şekil 3.6 Ultrasonik Akış Ölçümü Model Yapımının Şematik Diyagramı
Dönüştürücü Kurulum Yöntemleri
Farklı boru çaplarının ölçülmesine yönelik genel gereksinimleri karşılamak için, ultrasonik akış ölçümünde ultrasonik dönüştürücülerin farklı çalışma frekansları ve farklı dönüştürücü kurulum yöntemleri kullanılmalıdır.kelepçeli tip ultrasonik debimetreboru kesmeye veya işlemi kapatmaya gerek kalmadan-invaziv olmayan kuruluma olanak tanıdığından bu bağlamda belirli avantajlar sunar. Yaygın kurulum yöntemleri arasında V-şekli, Z-şekli, N-şekli ve W-şekli bulunur. Farklı dönüştürücü kurulum yöntemlerinin ultrasonik dalga yayılım sinyalleri üzerindeki etkisini incelemek için ilgili araştırmaların yapılması gerekmektedir. Bu makale esas olarak gösteri amaçlı bir örnek olarak Z-şekli dönüştürücü kurulum yöntemi modelleme simülasyonunu kullanır.
Süreksiz Galerkin Yöntemi ve Izgara Bölme
COMSOL Multiphysics 5.6'da "Konveksiyon Denklemi, Zaman Alanı Açık" arayüz modülü kullanılmakta olup, varsayılan olarak dördüncü dereceden fonksiyonlarla formülün bir parçasını oluşturur. Dalga problemlerinin çözümünde Süreksiz Galerkin yönteminin etkili bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır. Süreksiz Galerkin yöntemi, büyük modellerde ızgara bölme problemini basitleştirir, yarım-dalga boyu boyutunda serbest tetrahedral ızgaraların kullanılmasına izin verir ve son olarak modelin tamamını çözer. Gerçek ızgara bölümünde, uygun uzamsal çözünürlüğü elde etmek için genellikle ızgara öğesi boyutunu yarım dalga boyu ile dalga boyunun-üçte ikisi arasında herhangi bir değere ayarlarız. Zaman-alanı açık çözücüsü kullanıldığında, dahili zaman adımı boyutu COMSOL yazılımı tarafından sıkı bir şekilde kontrol edilir, böylece modeldeki en küçük ızgara öğesi zaman adımını kontrol eder. Serbest dört yüzlü ızgara elemanlarını ayarlarken maksimum ve minimum eleman boyutları kontrol edilmelidir. COMSOL Multiphysics 5.6'da, "Konveksiyon Denklemi" zaman-alanı açık arayüzü için dahili zaman adımı, ızgaranın ayrıntılandırma düzeyine ve fiziksel özelliklerine göre otomatik olarak seçilir. Şekil 3.7, Z-şekli kurulum yöntemini kullanarak arka plan akış hızını ve akustiğini incelemek için ızgara bölümünü göstermektedir.
(a) Arkaplan Akış Hızı (b) Akustik
Şekil 3.7 Farklı Zamanlardaki Arka Plan Akış Hızı ve Akustiğinin İncelenmesi için Izgara Bölümü
Fiziksel Alan Yapılandırması
Model oluşturulduktan sonra fiziksel alanların ayarlanması gerekir. Boru hattındaki sıvı alanı, fiili kullanım sırasında boru hattındaki sıvıyı simüle etmek için laminer veya türbülanslı akış fiziksel alanı olarak ayarlanır; boru hattındaki sıvı alanı, boru hattı ve boru hattının her iki tarafındaki dönüştürücüler, ultrasonik dalgaların yayılmasını simüle etmek için "Konveksiyon Denklemi, Zaman Alanı Açık" fiziksel alanı olarak ayarlanır. "Konveksiyon Denklemi, Zaman Alanı Açık" fiziksel alan kurulumunda, boru hattının uçları, hesaplamayı kısaltmak için empedans sınırları olarak tanımlanır. Laminer veya türbülanslı simülasyonlarda akışkan girişi solda, akışkan çıkışı ise sağdadır. Akayış takmakultrasonik akış ölçerboru hattının alt tarafına ultrasonik verici ve üst tarafına monte edilen bir alıcı ile konfigürasyon oluşturulur. Ultrasonik dalgalar yaymak için verici ucuna normal bir hız uygulanır.
Akışkan Durumu Modellemesi ve Analizi
COMSOL Multiphysics 5.6 yazılımını ultrasonik akış ölçüm simülasyonları için kullanırken, öncelikle boru hattındaki akışkan durumunun modellenmesi ve analiz edilmesi gerekir. Dış çapı 15 mm ve et kalınlığı 0,75 mm olan bir PVC boru örnek alınarak laminer ve türbülans simülasyonları yapıldı. Bu simülasyonlar, sistemin nasıl çalıştığını anlamak için önemlidir.akış ölçerdeki ultrasonik kayışçeşitli akış koşulları altında çalışır. Laminer akış simülasyonu, fiziksel alan kurulumu için COMSOL Multiphysics 5.6'daki "Laminer Akış" modülünü kullanır ve türbülanslı akış simülasyonu, "Türbülanslı Akış, k-ω" modülünü kullanır. Şekil 3.8 laminer ve türbülanslı koşullar altında arka plan akış hızının büyüklüğünü göstermektedir.
Şekil 3.8'den laminer akış koşulları altında boru hattının her bir kısmındaki akış hızının neredeyse tekdüze olduğu, arka plandaki sıvının ortalama akış hızına yakın olduğu görülebilir. Diyagrama göre boru hattının ortasındaki koyu renk, daha yüksek akış hızına işaret eder.
(a) Laminer Akış (b) Türbülanslı Akış
Şekil 3.8 Farklı Akışkan Durumlarında Arkaplan Akış Hızının Büyüklüğü
Arka Plan Akış Hızı Analizi
Boru hattının her bir kısmındaki akış hızını daha net bir şekilde görüntülemek için, arka plan akış hızı eğrisini çizmek üzere boru hattının bir bölümü seçildi. Şekil 3.9 laminer ve türbülanslı akış koşulları altında arka plan akış hızı eğrilerini göstermektedir.
Dış çapı 15 mm ve et kalınlığı 0,75 mm olan PVC boru için simülasyon analizi yapılmıştır. "Laminer Akış" modülünün kullanıldığı simülasyon sonuçları Şekil 3.9(a)'da gösterilmektedir. Laminer akış durumunda, akış hızı geçişinin boru yüzeyinde yalnızca 5 mm'lik bir aralıkta meydana geldiği, diğer konumlardaki akış hızının ise yaklaşık 10 m/s olduğu görülebilir; bu, akışkanın boru sürtünmesinden dolayı boru çeperinin yakınında akış gecikmesi yaşadığını gösterir. Buna karşılık, "Türbülanslı Akış, k-ω" modülünü kullanan simülasyon sonuçları Şekil 3.9(b)'de gösterilmektedir. Ortalama 10 m/s akış hızı koşulunda boru cidarına yakın akış hızının yaklaşık 4,5 m/s olduğu, boru hattının merkezindeki akış hızının ise yaklaşık 12,2 m/s'ye ulaşabildiği, akış hızı dağılımının parabolik bir şekil oluşturduğu görülmektedir.
(a) Laminer Akış
(b) Türbülanslı Akış
Şekil 3.9 Farklı Akışkan Durumlarında Arka Plan Akış Hızı Eğrileri
