Estudo de Simulação do Medidor de Vazão Ultrassônico com Pinça Externa
O estudo de simulação do exteriorapertarmedidor de fluxo ultrassônicoenvolve modelar e simular o princípio de funcionamento e desempenho do medidor de vazão para otimizar seu projeto, melhorar a precisão da medição ou avaliar seu desempenho sob diferentes condições operacionais.
Modelagem de Simulação Numérica
A modelagem de simulação numérica é aplicada para estabelecer modelos matemáticos para fluxo de fluidos e propagação de ondas ultrassônicas, incluindo equações de dinâmica de fluidos e equações acústicas. Ferramentas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) são usadas para modelar o fluxo de fluidos. Essas ferramentas podem simular turbulência, distribuição de velocidade de fluxo, etc., e analisar o impacto da propagação de ondas ultrassônicas. Com base em CFD, a análise acústica é realizada para simular a propagação e reflexão do sinal ultrassônico. Um software de simulação acústica (como o módulo acústico do COMSOL Multiphysics) pode ser usado para completar isso. A Análise de Elementos Finitos (FEA) da estrutura do sensor ultrassônico é conduzida para compreender seu desempenho sob diferentes condições. FEA ajuda a analisar os efeitos da expansão térmica, vibração, etc., nos resultados da medição. O contato entre o sensor e a tubulação é considerado na simulação para avaliar seu efeito na transmissão ultrassônica.
Verificação e Otimização Laboratorial
No laboratório, uma bancada de teste de vazão é usada para medição de vazão real, e os resultados são comparados com os resultados da simulação para verificar a precisão do modelo de simulação. Os parâmetros do modelo de simulação são ajustados com base em resultados experimentais para melhorar a precisão da previsão. Através da simulação, a posição do sensor, o design do acessório e o método de instalação são otimizados para melhorar a precisão e a estabilidade da medição. Seguindo adequadamentebraçadeira nas diretrizes de instalação do medidor de vazão ultrassônicoé crucial durante este processo de otimização, pois a instalação incorreta pode afetar significativamente a precisão das medições. Diferentes condições de falha (como bolhas, partículas sólidas) são simuladas na simulação para avaliar seu impacto no desempenho do medidor de vazão. Durante o processo experimental, as propriedades físicas do fluido (como temperatura e pressão) precisam ser consideradas, pois essas propriedades afetam a velocidade de propagação das ondas ultrassônicas. Além disso, ruídos e interferências no ambiente real podem afetar a qualidade do sinal ultrassônico, o que também requer otimização dos algoritmos de processamento de sinais por meio de simulações e experimentos.
Análise de simulação multifísica COMSOL
Tomando o software COMSOL Multiphysics 5.6 como exemplo para construção de modelos e análise de simulação, as simulações podem analisar o impacto de diferentes ângulos, materiais de tubulação, diâmetros de tubulação, frequências ultrassônicas e métodos de instalação na propagação de ondas ultrassônicas. O diagrama esquemático do modelo de medição de vazão ultrassônica é mostrado na Figura 3.6. Para melhorar a eficiência computacional da solução do modelo 3D, normalmente usamos simetria para simular metade do canal para representar o modelo inteiro. Durante o processo de construção do modelo, deve-se considerar a influência dos diferentes materiais da tubulação no ângulo de refração ultrassônica, bem como as diferentes distâncias de deslocamento horizontal para os dois transdutores instalados sob diferentes diâmetros de tubulação.
Figura 3.6 Diagrama esquemático da construção do modelo de medição de vazão ultrassônica
Métodos de instalação do transdutor
Para atender aos requisitos gerais para medição de diferentes diâmetros de tubos, diferentes frequências de trabalho de transdutores ultrassônicos e diferentes métodos de instalação de transdutores devem ser usados na medição de vazão ultrassônica. Omedidor de vazão ultrassônico tipo braçadeiraoferece vantagens específicas nesse sentido, pois permite uma instalação não{0}invasiva sem a necessidade de corte de tubos ou encerramento do processo. Os métodos de instalação comuns incluem formato V-, formato Z-, formato N-e formato W-. Para estudar o impacto de diferentes métodos de instalação de transdutores nos sinais de propagação de ondas ultrassônicas, é necessário realizar pesquisas relacionadas. Este artigo usa principalmente a simulação de modelagem do método de instalação do transdutor em formato Z- como exemplo para demonstração.
Método Galerkin Descontínuo e Divisão de Grade
No COMSOL Multiphysics 5.6, o módulo de interface "Convection Equation, Time Domain Explicit" é usado e, por padrão, faz parte da fórmula com funções quárticas. Para resolver problemas de ondas, o método Galerkin descontínuo provou ser um método eficiente. O método de Galerkin descontínuo simplifica o problema de divisão de grade em modelos grandes, permitindo o uso de grades tetraédricas livres com meio-tamanho de comprimento de onda e, finalmente, resolvendo todo o modelo. Na divisão real da grade, geralmente definimos o tamanho do elemento da grade para qualquer valor entre meio comprimento de onda e dois-terços de comprimento de onda para obter a resolução espacial apropriada. Ao usar o solucionador explícito de domínio-de tempo, o tamanho do intervalo de tempo interno é estritamente controlado pelo software COMSOL, portanto, o menor elemento de grade no modelo controla o intervalo de tempo. Ao definir elementos de grade tetraédricos livres, os tamanhos máximo e mínimo dos elementos devem ser controlados. No COMSOL Multiphysics 5.6, para a interface explícita de domínio-de tempo "Convection Equation", o intervalo de tempo interno é selecionado automaticamente com base no nível de refinamento e nas propriedades físicas da grade. A Figura 3.7 mostra a divisão da grade para estudar a velocidade do fluxo de fundo e a acústica usando o método de instalação em forma de Z.
(a) Velocidade do fluxo de fundo (b) Acústica
Figura 3.7 Divisão da Grade para Estudo da Velocidade do Fluxo de Fundo e Acústica em Diferentes Momentos
Configuração de campo físico
Após a construção do modelo, os campos físicos precisam ser definidos. O domínio líquido na tubulação é definido como campo físico de fluxo laminar ou turbulento para simular o fluido na tubulação durante o uso real; o domínio líquido na tubulação, a tubulação e os transdutores em ambos os lados da tubulação são definidos como o campo físico "Equação de convecção, domínio de tempo explícito" para simular a propagação de ondas ultrassônicas. Na configuração do campo físico "Equação de convecção, explícito no domínio do tempo", as extremidades do pipeline são definidas como limites de impedância para truncar o cálculo. Em simulações laminares ou turbulentas, a entrada de fluido fica à esquerda e a saída de fluido fica à direita. UMcintamedidor de fluxo ultrassônicoA configuração é estabelecida com um transmissor ultrassônico instalado na parte inferior da tubulação e um receptor instalado na parte superior. Uma velocidade normal é aplicada na extremidade do transmissor para emitir ondas ultrassônicas.
Modelagem e Análise de Estado Fluido
Ao usar o software COMSOL Multiphysics 5.6 para simulações de medição de vazão ultrassônica, o estado do fluido na tubulação precisa ser modelado e analisado primeiro. Tomando como exemplo um tubo de PVC com diâmetro externo de 15 mm e espessura de parede de 0,75 mm, foram realizadas simulações laminares e turbulentas. Essas simulações são essenciais para entender como ocinta ultrassônica no medidor de vazãofunciona sob várias condições de fluxo. A simulação de fluxo laminar usa o módulo "Laminar Flow" no COMSOL Multiphysics 5.6 para configuração de campo físico, e a simulação de fluxo turbulento usa o módulo "Turbulent Flow, k-ω". A Figura 3.8 mostra a magnitude da velocidade do fluxo de fundo sob condições laminares e turbulentas.
Na Figura 3.8 pode-se observar que sob condições de fluxo laminar, a velocidade do fluxo em cada parte da tubulação é quase uniforme, próxima da velocidade média do fluxo do fluido de fundo. De acordo com o diagrama, a cor mais escura no centro da tubulação indica maior velocidade de fluxo.
(a) Fluxo Laminar (b) Fluxo Turbulento
Figura 3.8 Magnitude da velocidade do fluxo de fundo sob diferentes estados de fluido
Análise de velocidade de fluxo de fundo
Para exibir mais claramente a velocidade do fluxo em cada parte da tubulação, uma seção da tubulação foi selecionada para traçar a curva de velocidade do fluxo de fundo. A Figura 3.9 mostra as curvas de velocidade do fluxo de fundo sob condições de fluxo laminar e turbulento.
Para o tubo de PVC com diâmetro externo de 15 mm e espessura de parede de 0,75 mm, foi realizada análise de simulação. Os resultados da simulação utilizando o módulo “Fluxo Laminar” são mostrados na Figura 3.9(a). Pode-se observar que no estado de fluxo laminar, a transição da velocidade do fluxo ocorre apenas dentro de uma faixa de 5 mm na superfície do tubo, enquanto a velocidade do fluxo em outros locais é de cerca de 10 m/s, indicando que o fluido experimenta um atraso de fluxo próximo à parede do tubo devido ao atrito do tubo. Em contraste, os resultados da simulação usando o módulo "Fluxo Turbulento, k-ω" são mostrados na Figura 3.9(b). Pode-se observar que na condição de velocidade média do fluxo de 10 m/s, a velocidade do fluxo próximo à parede do tubo é de cerca de 4,5 m/s, e a velocidade do fluxo no centro da tubulação pode atingir aproximadamente 12,2 m/s, com a distribuição da velocidade do fluxo formando uma forma parabólica.
(a) Fluxo Laminar
(b) Fluxo Turbulento
Figura 3.9 Curvas de velocidade de fluxo de fundo sob diferentes estados de fluido
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