- 超音波流量計の研究開発で 15+ 年の経験を持つシニア流量測定エンジニア LiuXing より、

CFD解析認定（ANSYS Fluent Professional）

挿入型超音波流量計の工学値 パイプライン構造シミュレーション

なぜシミュレーション技術が必要なのでしょうか?

実際の工学では、挿入のパフォーマンス超音波流量計パイプラインの状態に大きく影響されます。従来の方法では、オンサイトでのデバッグを繰り返すことに依存しており、費用がかかるだけでなく、試運転後に初めて設計上の欠陥が明らかになる可能性もあります。{1}シミュレーション テクノロジーの導入によりこの状況は変わり、エンジニアは設計段階で潜在的な問題を特定して解決できるようになりました。

その中心的な価値は、「試行錯誤のコスト」を現場からコンピュータに移し、高価な物理実験を数値計算に置き換えることにあります。

シミュレーションによって解決される 6 つの主要なエンジニアリング問題

プローブの位置を決定する方法

パイプライン内の流速は均一に分布していません。エルボやバルブは局所的な渦を発生させるため、これらの領域にプローブを設置すると測定値が歪むことになります。エンジニアは流体力学計算を使用してパイプラインのあらゆる点での速度ベクトルを視覚化し、それによってセンサー設置用に比較的安定した流れ場の断面を選択します。これは正確な流れプロファイル補正係数 (FPCF) の決定に不可欠です。-

実践してみると、プローブの傾斜角度のわずかな違い（5 度レベル）により、測定領域の流れの状態が変化します。複数の角度構成を体系的にテストして誤差を最小限に抑えた解決策を見つけることは、物理実験ではほとんど現実的ではありませんが、コンピューターによる解析は、トランスデューサーの突出と凹みの影響を考慮しながら数日以内に完了できます。

精度のボトルネックはどこにあるのか

超音波測定は「時間差」の原理に基づいており、流体パラメータ（温度、圧力、組成）の変化はすべて音速に影響します。単純な経験式では、特に保管転送精度要件を満たす場合、すべての動作条件をカバーすることは困難です。

シミュレーションでは、レイノルズ数依存性解析を通じて、入力パラメータと測定偏差の間のマッピング関係を確立します。例えば、流体の温度が±10度変化したとき、音速はどのくらい変化するでしょうか？この変化はどのようにフローエラーに変換されるのでしょうか?この定量的なデータを使用して、効果的な温度補償アルゴリズムを設計できます。

複雑なフロー状態を処理する方法

教科書に載っている層流モデルが実際のパイプラインに登場することはほとんどありません。乱流、二次流れ、さらには気液二相流-によっても、速度プロファイルは理想的な状態から大幅に逸脱します。数値流体力学 (CFD) は、これらの複雑な現象を再現できます。エンジニアリングのケースでは、重大な速度の歪みが、特定の 90 度の曲がりのパイプ直径 15 下流にまだ存在していることが示されています。これを理解していないと、標準的な流れ場の仮定に従って計算された流れが数パーセントずれる可能性があり、特にマルチパス超音波に影響を及ぼします。流量計積分精度。

音波伝播経路の最適化

超音波は、伝播中にパイプ壁の反射、溶接の散乱、媒体の不均一性などの干渉に遭遇します。{0}}これらの要因の累積的な影響により、信号強度が弱くなったり、ノイズが発生したりする可能性があります。

音響線追跡シミュレーション技術を使用した音響シミュレーションにより、パイプライン内のビームの実際の軌道が明らかになります。一部の幾何学的構成では「音響シャドウ ゾーン」が生成され、受信信号が非常に弱くなります。他の構成では、信号は強力ですが、波形歪みを引き起こすマルチパス効果があります。比較分析を通じて、エンジニアは最適な信号対雑音比を備えた配置スキームを選択できます。--

インストール上の制約下でのパフォーマンス保証

標準仕様では通常、上流の直管セクションに 20 の管径が必要ですが、現場の条件によってはこの要件を満たせない場合がよくあります。パイプラインの変更コストは数十万ドルに達する可能性があります。

シミュレーションにより、「非標準設置」の実現可能性を評価できます。{0}異なる直管セクションの長さの下での流れ場の回復の程度を計算し、マルチパス構成の補正と組み合わせることにより-テクノロジーガウス-ヤコビ積分法を使用すると、パイプ直径がわずか 6 ～ 8 のスペースでも十分な精度を達成できます。これには、ISO 17089 準拠の検証を確保しながら、単に仕様を適用するのではなく、特定のプロジェクトに合わせてカスタマイズされた分析が必要です。

特殊なメディアへの適用

高粘度の液体、固体粒子を含むスラリー、高温高圧ガスなどの動作条件は、従来の流体とは大きく異なる流動特性を持ちます。-無理に取り付けると機器の破損や測定不良の原因となります。

シミュレーションにより、仮想環境で極端な条件をテストできます。たとえば、渦放出周波数の予測を通じて、プローブ上の高速ガス流の衝撃力が構造共鳴を引き起こすかどうかを計算します。-または、粒子の衝突頻度がセンサーの摩耗を促進するかどうかを分析します。この情報は、材料の選択と構造補強の設計に役立ちます。

技術的応用の境界

シミュレーションは万能ではありません。その精度は以下によって決まります。

• 数学モデルが実際の物理プロセスをカバーしているかどうか
• 境界条件の設定が実態に即しているか
• 計算リソースが洗練されたソリューションに十分であるかどうか

まったく新しい流れ現象や極端な動作条件の場合、シミュレーション結果には実験データの検証が必要です。それにもかかわらず、シミュレーションは実験範囲を大幅に狭め、重要なパラメーターに焦点を当て、研究開発の効率を大幅に向上させることができます。

図 3.1: 挿入型超音波流量計-

図3.1に一般的に使用されている挿入型超音波流量計を示します。{1}その動作原理は、パイプラインの両側に一対の超音波センサーを設置し、下流と上流の流れの超音波パルス速度の差を検出および計算することで正確な流量測定を実現することです。測定プロセス中、センサーは交互に反対方向に超音波信号を送信および受信します。超音波信号は、上流の流れよりも下流の流れの方が速く伝播します。流体が静止している場合、時間差はゼロです。したがって、下流側の流れと上流側の流れにおける超音波の伝播時間を測定することにより、時間差ｔを求めることができる。 tと流速Vの関係により、流体の平均流速を間接的に測定でき、パイプライン断面積-に基づいて体積流量Qを計算できます。

流体チャネルの設計では、流体の流速と流量範囲を考慮する必要があります。パイプラインの設計では、流量測定の精度を確保するために流体の流速範囲に重点を置く必要があります。流体の流速が高すぎるか低すぎると、最終的には超音波信号の伝播特性に影響を与えます。

パイプラインの寸法、つまりパイプラインの内径は、流体の流れの乱れを軽減し、最終的な測定結果への影響を避けるために、測定されたパイプラインの内径と一致する必要があります。パイプライン構造の支持構造には、耐用年数を延ばすために耐食性と耐摩耗性の材料を選択する必要があります。-同時に、高流速または高圧下での安定性を確保するための合理的な設計が必要です。超音波トランスデューサは、アプリケーションの要件に応じて適切な超音波トランスデューサのタイプ（導波型や反射型など）を選択し、超音波信号がパイプライン全体を効果的に通過できるように、超音波トランスデューサを取り付ける適切な位置を選択する必要があります。
上記の要因に加えて、Tang Xiaoyu[103] と浙江大学の他の学者によって行われた研究には、90 度曲げおよび 180 度曲げ条件下での、超音波流量計の各音響経路における非理想的な流速分布の影響、特に流速測定と流量計の精度への影響も含まれています。 Zhang Zhijun と Zhu Yingsheng[102] らは、先行研究に基づいて、CFD シミュレーション技術を使用して、超音波振動子の設置角度を 30 度から 60 度までの 7 つの角度 (5 度間隔) でシミュレーション解析を実施しました。その結果、設置角度の違いにより音響経路の溝部分の流速分布に影響が出ることが分かりました。同時に、模擬流速と理想流速との相対誤差を解析し、設計したDN80径ガス超音波流量計の最適なトランスデューサ設置角度は50度であることが判明した。

挿入-タイプの超音波流量測定パイプラインのシミュレーション研究

シミュレーション研究では、次の 3 つの側面が考慮されます。

流体力学シミュレーション、超音波伝播シミュレーション、構造力学シミュレーション。 CFD（数値流体力学）モデルを用いてパイプライン内の流体の流れをシミュレーションし、流速分布や渦の流れなどが超音波信号の伝播に及ぼす影響を解析できます。シミュレーションプロセス中、超音波測定への干渉を可能な限り回避するために、流体内で起こり得る渦、気泡などをチェックする必要があります。
流速分布に対する変換器の取り付け角度の違いの影響を例として、パイプライン流量計の本体全長が L=230 mm、直径が D=80 mm であるとします。振動子の設置角度を30度～60度に設定し、5度間隔でシミュレーションモデルを構築します。さまざまな設置角度を図 3.2 に示します。 ANSYS ソフトウェアがシミュレーションを実行する際のコンピュータのメモリ消費と計算負荷を軽減するために、ガス超音波流量計の CFD モデルは、流量計ハウジングの内径とトランスデューサ モデルの確立のみを考慮し、残りの部分は一時的に無視して、ある程度まで簡素化できます。
幾何学的モデルは、フロント パイプライン、ガス超音波流量計、リア パイプラインの 3 つの部分に分かれています。このうち、前後のパイプラインは構造化メッシュを採用し、中央のガス超音波流量計は四面体メッシュを採用し、接続点には界面接続が使用され、接続面はメッシュが細分化されています。出口と入口の直線パイプラインは六面体メッシュとして構造化メッシュを採用し、最大メッシュ サイズを 2、Spacing1 (第 1 境界層メッシュ間隔) を 1.5、Ratio1 (第 1 境界層メッシュ成長率) を 2、Spacing2 (第 2 境界層メッシュ間隔) を 1.5、Ratio2 (第 2 境界層メッシュ成長率) を 2 に設定します。ガス超音波流量計本体部の最大メッシュ サイズは 5 です。ローカル リファインメントは、最大メッシュ サイズ 1.5 のトランスデューサー メッシュに適用されます。ローカル リファインメントはインターフェイス メッシュに適用され、メッシュ サイズは 2 に維持されます。

図 3.2 さまざまな設置角度でのトランスデューサの概略図

トランスデューサ角度の最適化結果グラフ

CFD シミュレーション ソフトウェアの選択とセットアップ

ANSYS Fluent 対 COMSOL:超音波流量計のシミュレーションにはどちらが適していますか?
乱流モデルの比較:レイノルズ数 10⁴-10⁷ の k-ε 対 k-ω SST 対 RSM
メッシュ品質基準:y+ < 1、アスペクト比 < 100、歪度 < 0.85

図 3.3: モデルのモデリング

壁面付近では速度勾配が大きいため、Initial Height (初期高さ) を 0.1、Height Ratio (各境界層の比率) を 1.2、Number of Layers (境界層の数) を 3、Total Height (境界層の合計高さ) を 0.7 に設定し、指数関数的な成長則を使用した境界層メッシュ リファインメントが採用されています。最終的な総メッシュ数は約 150 万です。DN80 4 パス トランスデューサの設置角度 50 度を例として、メッシュ分割結果を図 3.3 に示します。

図 3.4: 入口流速 10 m/s、設置角度 50 度および 30 度における速度等高線図

さまざまな設置角度でのパイプライン内の流体分布をよりよく理解するために、設置角度 30 度と 50 度の 2 つのケースを例として、入口流速が 10 m/s の場合の経路 1 と 3 の速度等高線図を図 3.4 に示します。

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