外部クランプ式超音波流量計のシミュレーション検討
外部シミュレーション検討クランプオン超音波流量計流量計の動作原理と性能をモデル化およびシミュレーションして、設計を最適化し、測定精度を向上させ、さまざまな動作条件下での性能を評価します。
数値シミュレーションモデリング
数値シミュレーション モデリングは、流体力学方程式や音響方程式など、流体の流れと超音波伝播の数学的モデルを確立するために適用されます。数値流体力学 (CFD) ツールは、流体の流れをモデル化するために使用されます。これらのツールは乱流や流速分布などをシミュレーションし、超音波伝播の影響を解析することができます。 CFDに基づいて音響解析を実行し、超音波信号の伝播と反射をシミュレートします。これを完了するには、音響シミュレーション ソフトウェア (COMSOL Multiphysics の音響モジュールなど) を使用できます。超音波センサー構造の有限要素解析 (FEA) は、さまざまな条件下での性能を理解するために実行されます。 FEA は、熱膨張や振動などが測定結果に与える影響を分析するのに役立ちます。センサーとパイプライン間の接触は、超音波伝達への影響を評価するためにシミュレーションで考慮されます。
研究室の検証と最適化
実験室では、流量テストベンチを使用して実際の流量測定を行い、その結果をシミュレーション結果と比較して、シミュレーションモデルの精度を検証します。シミュレーションモデルのパラメータは実験結果に基づいて調整され、予測精度が向上します。シミュレーションによりセンサーの位置、治具の設計、設置方法を最適化し、測定精度と安定性を向上させます。適切なフォロークランプオン超音波流量計の設置ガイドライン不適切な設置は測定の精度に大きな影響を与える可能性があるため、この最適化プロセスでは非常に重要です。シミュレーションではさまざまな障害状態 (気泡、固体粒子など) がシミュレートされ、流量計の性能への影響が評価されます。実験プロセスでは、流体の物理的特性 (温度や圧力など) を考慮する必要があります。これらの特性は超音波の伝播速度に影響するためです。さらに、実際の環境におけるノイズや干渉は超音波信号の品質に影響を与える可能性があるため、シミュレーションや実験を通じて信号処理アルゴリズムを最適化する必要もあります。
COMSOL マルチフィジックス シミュレーション解析
モデル構築とシミュレーション解析の例として COMSOL Multiphysics 5.6 ソフトウェアを使用すると、シミュレーションでは、さまざまな角度、パイプラインの材質、パイプの直径、超音波周波数、設置方法が超音波の伝播に及ぼす影響を解析できます。超音波流量計測モデルの模式図を図 3.6 に示します。 3D モデル ソリューションの計算効率を向上させるために、通常は対称性を使用してチャネルの半分をシミュレートし、モデル全体を表します。モデルの構築プロセスでは、異なるパイプラインの材質が超音波の屈折角に及ぼす影響や、異なるパイプ直径の下に設置された 2 つのトランスデューサーの異なる水平変位距離を考慮する必要があります。
図3.6 超音波流量測定モデルの構成概念図
トランスデューサの設置方法
さまざまなパイプ直径を測定するための一般的な要件を満たすために、超音波流量測定では、超音波トランスデューサーのさまざまな動作周波数、およびさまざまなトランスデューサーの設置方法を使用する必要があります。のクランプオン式超音波流量計パイプの切断やプロセスの停止を必要とせず、非侵襲的な設置が可能になるため、この点で特に利点があります。{0}一般的な取り付け方法には、V- 形状、Z- 形状、N- 形状、W- 形状などがあります。さまざまなトランスデューサの設置方法が超音波伝播信号に与える影響を研究するには、関連する研究を行う必要があります。この記事では、主に Z- 形状のトランスデューサの設置方法のモデリング シミュレーションをデモンストレーションの例として使用します。
不連続ガラーキン法とグリッド分割
COMSOL Multiphysics 5.6 では、「対流方程式、時間領域明示的」インターフェイス モジュールが使用され、デフォルトで 4 次関数を含む式の一部を形成します。波の問題を解決するには、不連続ガラーキン法が効率的な方法であることが証明されています。不連続ガラーキン法は、大規模モデルにおけるグリッド分割問題を単純化し、半波長サイズの自由四面体グリッドの使用を可能にし、最終的にモデル全体を解決します。実際のグリッド分割では、適切な空間解像度を得るために、通常、グリッド要素のサイズを波長の半分から波長の 3 分の 2 までの間の任意の値に設定します。時間領域陽的ソルバーを使用する場合、内部時間ステップ サイズは COMSOL ソフトウェアによって厳密に制御されるため、モデル内の最小のグリッド要素によって時間ステップが制御されます。自由四面体グリッド要素を設定する場合、要素の最大サイズと最小サイズを制御する必要があります。 COMSOL Multiphysics 5.6 では、「対流方程式」時間- ドメインの明示的インターフェイスの場合、内部時間ステップはグリッドの精製レベルと物理的特性に基づいて自動的に選択されます。図 3.7 は、Z- 形状の設置方法を使用してバックグラウンド流速と音響を検討するためのグリッド分割を示しています。
(a) バックグラウンド流速 (b) 音響
図 3.7 異なる時間におけるバックグラウンド流速と音響を研究するためのグリッド分割
物理フィールドの構成
モデルを構築した後、物理フィールドを設定する必要があります。パイプライン内の液体ドメインは、実際の使用中のパイプライン内の流体をシミュレートするために層流または乱流の物理場として設定されます。パイプライン内の液体ドメイン、パイプライン、およびパイプラインの両側のトランスデューサーは、超音波の伝播をシミュレートするために「対流方程式、時間ドメイン明示的」物理場として設定されます。 「対流方程式、時間領域明示的」物理フィールド設定では、計算を切り捨てるためにパイプラインの端がインピーダンス境界として定義されます。層流または乱流シミュレーションでは、流体入口は左側にあり、流体出口は右側にあります。あストラップオン超音波流量計パイプラインの下側に超音波送信機、上側に受信機を設置した構成となります。超音波を放射するために、送信機側で通常の速度が適用されます。
流体状態のモデリングと解析
超音波流量測定シミュレーションに COMSOL Multiphysics 5.6 ソフトウェアを使用する場合、最初にパイプライン内の流体状態をモデル化して分析する必要があります。外径 15 mm、肉厚 0.75 mm の PVC パイプを例として、層流および乱流のシミュレーションを実行しました。これらのシミュレーションは、どのように機能するかを理解するために不可欠です。超音波ストラップ付き流量計様々な流量条件下で性能を発揮します。層流シミュレーションでは物理場の設定に COMSOL Multiphysics 5.6 の「層流」モジュールを使用し、乱流シミュレーションでは「乱流, k-ω」モジュールを使用します。図 3.8 は、層流および乱流条件下でのバックグラウンド流速の大きさを示しています。
図 3.8 から、層流条件下では、パイプラインの各部分の流速はほぼ均一であり、バックグラウンド流体の平均流速に近いことがわかります。図によると、パイプラインの中央の色が濃いほど流速が高いことを示します。
(a) 層流 (b) 乱流
図 3.8 さまざまな流体状態におけるバックグラウンド流速の大きさ
バックグラウンド流速解析
パイプラインの各部分の流速をより明確に表示するために、パイプラインのセクションを選択してバックグラウンド流速曲線をプロットしました。図 3.9 は、層流および乱流条件下でのバックグラウンド流速曲線を示しています。
外径15mm、肉厚0.75mmの塩ビパイプについてシミュレーション解析を行った。 「層流」モジュールを使用したシミュレーション結果を図 3.9(a)に示します。層流状態では、配管表面の5mmの範囲でのみ流速遷移が生じており、その他の箇所の流速は10m/s程度となっており、配管の摩擦により流体が配管壁面付近で流れ遅れを起こしていることがわかります。対照的に、「乱流、k-ω」モジュールを使用したシミュレーション結果を図 3.9(b)に示します。平均流速10m/sの条件では、管壁近傍の流速は約4.5m/s、管路中心の流速は約12.2m/sに達し、放物線状の流速分布となっていることがわかります。
(a) 層流
(b) 乱流
図 3.9 さまざまな流体状態でのバックグラウンド流速曲線
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