- Por LiuXing, engenheiro sênior de medição de vazão com 15+ anos de experiência em pesquisa e desenvolvimento de medidores de vazão ultrassônicos,

certificado em análise de CFD (ANSYS Fluent Professional)

Valor de engenharia da simulação da estrutura do encanamento do medidor de fluxo ultrassônico de inserção

Por que a tecnologia de simulação é necessária?

Na engenharia prática, o desempenho da inserçãomedidores de fluxo ultrassônicosé significativamente afetado pelas condições do gasoduto. Os métodos tradicionais dependem de depuração repetida-no local, o que não é apenas caro, mas também pode revelar defeitos de projeto somente após o comissionamento. A introdução da tecnologia de simulação mudou esta situação, permitindo aos engenheiros identificar e resolver potenciais problemas na fase de projeto.

Seu principal valor reside em: transferir "custos de tentativa-e-erro" do campo para computadores, substituindo experimentos físicos caros por cálculos numéricos.

Seis grandes problemas de engenharia resolvidos por simulação

Como determinar a posição da sonda

A velocidade do fluxo nas tubulações não é distribuída uniformemente. Cotovelos e válvulas criam vórtices locais e a instalação de sondas nessas áreas levará a leituras distorcidas. Os engenheiros usam cálculos de mecânica de fluidos para visualizar vetores de velocidade em cada ponto do pipeline, selecionando assim seções transversais-do campo de fluxo relativamente estáveis ​​para a instalação do sensor, o que é essencial para a determinação precisa do fator de correção do perfil de fluxo (FPCF).

A prática mostra: pequenas diferenças no ângulo de inclinação da sonda (no nível de 5 graus) alterarão o estado do fluxo na área de medição. Testar sistematicamente configurações de múltiplos ângulos para encontrar a solução com erro mínimo é quase impraticável em experimentos físicos, mas a análise computacional pode ser concluída em poucos dias, levando em consideração a protrusão do transdutor e os efeitos de recesso.

Onde está o gargalo de precisão

A medição ultrassônica baseia-se no princípio da “diferença de tempo”, e todas as alterações nos parâmetros do fluido (temperatura, pressão, composição) afetam a velocidade do som. Fórmulas empíricas simples são difíceis de cobrir todas as condições operacionais, especialmente quando atendem aos requisitos de precisão da transferência de custódia.

A simulação estabelece a relação de mapeamento entre os parâmetros de entrada e o desvio de medição por meio da análise de dependência do número de Reynolds. Por exemplo, quando a temperatura do fluido flutua ±10 graus, quanto a velocidade do som muda? Como essa mudança se traduz em erro de fluxo? Com esses dados quantitativos, algoritmos eficazes de compensação de temperatura podem ser projetados.

Como lidar com estados de fluxo complexos

O modelo de fluxo laminar nos livros didáticos raramente aparece em tubulações reais. Turbulência, fluxo secundário e até mesmo fluxo bifásico de gás-líquido-fazem com que os perfis de velocidade se desviem severamente dos estados ideais. A Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) pode reproduzir esses fenômenos complexos. Casos de engenharia mostram: ainda existe assimetria de velocidade significativa em 15 diâmetros de tubo a jusante de uma certa curva de 90 graus. Sem entender isso, o fluxo calculado de acordo com as suposições padrão do campo de fluxo pode desviar-se em vários pontos percentuais, afetando particularmentemedidor de vazãoprecisão de integração.

Otimização do caminho de propagação de ondas acústicas

As ondas ultrassônicas encontram interferências como reflexos nas paredes dos tubos, espalhamento de solda e não-uniformidade média durante a propagação. O efeito cumulativo destes fatores pode enfraquecer a intensidade do sinal ou introduzir ruído.

A simulação acústica usando técnicas de simulação de traçado de raios acústicos revela a trajetória real dos feixes dentro das tubulações. Algumas configurações geométricas produzem “zonas de sombra acústica”, resultando em sinais recebidos extremamente fracos; outras configurações, embora tenham sinais fortes, têm efeitos de multipercurso causando distorção da forma de onda. Através da análise comparativa, os engenheiros podem selecionar o esquema de arranjo com a relação sinal-para{3}}ruído ideal.

Garantia de desempenho sob restrições de instalação

As especificações padrão normalmente exigem 20 diâmetros de tubo de seção reta a montante, mas as condições de campo muitas vezes não conseguem atender a esse requisito. Os custos de modificação do pipeline podem chegar a centenas de milhares de dólares.

O Simulation fornece avaliação de viabilidade para "instalação-não padrão". Calculando o grau de recuperação do campo de fluxo sob diferentes comprimentos de seção de tubo reto, combinado com compensação de configuração de múltiplos-caminhostecnologiausando o método de integração Gauss{0}}Jacobi, a precisão qualificada pode ser alcançada em espaços com apenas 6 a 8 diâmetros de tubo. Isto requer análises personalizadas para projetos específicos, em vez de simplesmente aplicar especificações, garantindo ao mesmo tempo a validação da conformidade com a ISO 17089.

Aplicabilidade a Mídias Especiais

Condições operacionais como líquidos de alta-viscosidade, lamas contendo partículas sólidas e gases de alta-temperatura e alta-pressão têm características de fluxo que diferem significativamente dos fluidos convencionais. A instalação precipitada pode causar danos ao equipamento ou falha na medição.

A simulação permite testar condições extremas em ambientes virtuais. Por exemplo, calcular se a força de impacto do fluxo de gás de alta-velocidade na sonda causará ressonância estrutural por meio da previsão da frequência de desprendimento de vórtices; ou analisar se a frequência do impacto das partículas acelerará o desgaste do sensor. Estas informações orientam a seleção de materiais e o projeto de reforço estrutural.

Limites da aplicação técnica

A simulação não é onipotente. Sua precisão depende de:

• Se o modelo matemático cobre processos físicos reais
• Se as configurações das condições limite estão em conformidade com as situações reais
• Se os recursos computacionais são suficientes para uma solução refinada

Para fenômenos de fluxo completamente novos ou condições operacionais extremas, os resultados da simulação precisam de validação de dados experimentais. No entanto, a simulação ainda pode restringir bastante o âmbito experimental, concentrar-se em parâmetros-chave e melhorar significativamente a eficiência da investigação e desenvolvimento.

Figura 3.1: Medidor de vazão ultrassônico tipo-de inserção

A Figura 3.1 mostra um medidor de vazão ultrassônico do tipo inserção-comumente usado. Seu princípio de funcionamento é instalar um par de sensores ultrassônicos em ambos os lados da tubulação e obter uma medição precisa do fluxo, detectando e calculando a diferença entre as velocidades do pulso ultrassônico no fluxo a jusante e a montante. Durante o processo de medição, os sensores transmitem e recebem alternadamente sinais ultrassônicos em direções opostas. Os sinais ultrassônicos se propagam mais rapidamente no fluxo a jusante do que no fluxo a montante; quando o fluido está estacionário, a diferença de tempo é zero. Portanto, medindo o tempo de propagação das ondas ultrassônicas no fluxo a jusante e a montante, a diferença de tempo t pode ser obtida. De acordo com a relação entre t e a velocidade do fluxo V, a velocidade média do fluxo do fluido pode ser medida indiretamente, e a vazão volumétrica Q pode ser calculada com base na área da seção transversal-da tubulação.

O projeto do canal de fluido deve considerar a velocidade do fluxo do fluido e a faixa de fluxo, onde o projeto da tubulação precisa se concentrar mais na faixa de velocidade do fluxo do fluido para garantir a precisão da medição do fluxo. A velocidade de fluxo de fluido excessivamente alta ou baixa afetará, em última análise, as características de propagação dos sinais ultrassônicos.

As dimensões da tubulação, nomeadamente o diâmetro interno da tubulação, precisam corresponder ao diâmetro interno da tubulação medida para reduzir a perturbação no fluxo de fluido e, assim, evitar afetar os resultados finais da medição. A estrutura de suporte na estrutura do pipeline deve selecionar materiais-resistentes à corrosão e ao desgaste-para prolongar a vida útil; ao mesmo tempo, é necessário um projeto razoável para garantir sua estabilidade sob alta velocidade de fluxo ou alta pressão. O transdutor ultrassônico precisa selecionar um tipo de transdutor ultrassônico apropriado (como tipo de onda guiada ou tipo de reflexão) de acordo com os requisitos da aplicação e, em seguida, selecionar uma posição apropriada para instalar o transdutor ultrassônico para garantir que o sinal ultrassônico possa passar efetivamente por toda a tubulação.
Além dos fatores acima, a pesquisa conduzida por Tang Xiaoyu[103] e outros estudiosos da Universidade de Zhejiang também inclui: sob condições de curvatura de 90 graus e curvatura de 180 graus, a influência da distribuição não-ideal da velocidade do fluxo em cada caminho acústico do medidor de vazão ultrassônico, especialmente o impacto na medição da velocidade do fluxo e na precisão do medidor de vazão. Zhang Zhijun e Zhu Yingsheng[102] e outros estudiosos, com base em pesquisas anteriores, usaram a tecnologia de simulação CFD para conduzir análises de simulação em 7 ângulos (em intervalos de 5 graus) entre 30 graus e 60 graus para ângulos de instalação de transdutores ultrassônicos. Os resultados mostram que: diferentes ângulos de instalação afetam a distribuição da velocidade do fluxo na porção da ranhura do caminho acústico. Ao mesmo tempo, o erro relativo entre a velocidade de fluxo simulada e a velocidade de fluxo ideal foi analisado, e foi determinado que o ângulo ideal de instalação do transdutor para o medidor de vazão ultrassônico de gás com diâmetro DN80 projetado é de 50 graus.

Pesquisa de simulação de pipeline-de medição de vazão ultrassônica tipo inserção

A pesquisa de simulação considera três aspectos:

Simulação de dinâmica de fluidos, simulação de propagação ultrassônica e simulação de mecânica estrutural. Usando modelos CFD (Computational Fluid Dynamics), o fluxo de fluido dentro da tubulação pode ser simulado e, em seguida, os efeitos de fatores como distribuição de velocidade de fluxo e fluxo de vórtice na propagação do sinal ultrassônico podem ser analisados. Durante o processo de simulação, possíveis vórtices, bolhas, etc. no fluido devem ser verificados para evitar ao máximo interferência na medição ultrassônica.
Tomando como exemplo a influência de diferentes ângulos de instalação do transdutor na distribuição da velocidade do fluxo, se o comprimento total do corpo do medidor de vazão da tubulação for L=230 mm e o diâmetro for D=80 mm. Defina o ângulo de instalação do transdutor para 30 graus ~ 60 graus e estabeleça um modelo de simulação em intervalos de 5 graus. Diferentes ângulos de instalação são mostrados na Figura 3.2. Para reduzir o consumo de memória do computador e a carga computacional quando o software ANSYS realiza a simulação, o modelo CFD do medidor de vazão ultrassônico de gás pode ser simplificado até certo ponto, considerando apenas o estabelecimento do diâmetro interno da carcaça do medidor de vazão e o modelo do transdutor, com o restante temporariamente ignorado.
O modelo geométrico é dividido em três partes: tubulação frontal, medidor de vazão ultrassônico de gás e tubulação traseira. Entre eles, os dutos dianteiro e traseiro adotam malha estruturada, o medidor de vazão ultrassônico de gás intermediário adota malha tetraédrica e a conexão da superfície da interface é utilizada nos pontos de conexão, com refinamento da malha nas superfícies de conexão. Os dutos retos de saída e entrada adotam malha estruturada como malha hexaédrica, com um tamanho de malha máximo definido como 2, Espaçamento1 (espaçamento da malha da primeira camada limite) de 1,5, Razão1 (taxa de crescimento da malha da primeira camada limite) de 2, Espaçamento2 (espaçamento da malha da segunda camada limite) de 1,5 e Razão2 (taxa de crescimento da malha da segunda camada limite) de 2. O tamanho máximo da malha da seção do corpo do medidor de vazão ultrassônico de gás é 5; o refinamento local é aplicado à malha do transdutor com tamanho máximo de malha de 1,5; refinamento local é aplicado à malha de interface, mantendo o tamanho da malha em 2.

Figura 3.2 Diagrama esquemático de transdutores em diferentes ângulos de instalação

Gráfico de resultados de otimização do ângulo do transdutor

Seleção e configuração de software de simulação CFD

ANSYS Fluente vs COMSOL:O que é melhor para simulação de medidor de vazão ultrassônico?
Comparação do modelo de turbulência:k-ε vs k-ω SST vs RSM para número de Reynolds 10⁴-10⁷
Critérios de qualidade da malha:y+ <1, proporção de aspecto <100, assimetria <0,85

Figura 3.3: Modelo de Modelagem

Devido ao grande gradiente de velocidade próximo à superfície da parede, o refinamento da malha da camada limite é adotado, usando a lei de crescimento exponencial, com Altura Inicial (altura inicial) definida como 0,1, Razão de Altura (proporção de cada camada limite) de 1,2, Número de Camadas (número de camadas limite) de 3 e Altura Total (altura total das camadas limite) de 0,7. A contagem total final da malha é de aproximadamente 1,5 milhão. Tomando como exemplo o ângulo de instalação do transdutor de quatro{7}}caminhos DN80 de 50 graus, o resultado da divisão da malha é mostrado na Figura 3.3.

Figura 3.4: Mapas de contorno de velocidade na velocidade de fluxo de entrada de 10 m/s, ângulos de instalação de 50 graus e 30 graus

Para entender melhor a distribuição do fluido dentro da tubulação em diferentes ângulos de instalação, tomando como exemplo os dois casos de ângulos de instalação de 30 graus e 50 graus, quando a velocidade do fluxo de entrada é de 10 m/s, os mapas de contorno de velocidade dos caminhos um e três são mostrados na Figura 3.4.

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