외부 클램프 초음파 유량계의 시뮬레이션 연구
외부 시뮬레이션 연구고정하다초음파 유량계설계를 최적화하고 측정 정확도를 높이거나 다양한 작동 조건에서 성능을 평가하기 위해 유량계의 작동 원리와 성능을 모델링하고 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다.
수치 시뮬레이션 모델링
수치 시뮬레이션 모델링은 유체 역학 방정식 및 음향 방정식을 포함하여 유체 흐름 및 초음파 전파에 대한 수학적 모델을 구축하는 데 적용됩니다. 전산유체역학(CFD) 도구는 유체 흐름을 모델링하는 데 사용됩니다. 이러한 도구는 난류, 유속 분포 등을 시뮬레이션하고 초음파 전파의 영향을 분석할 수 있습니다. CFD를 기반으로 초음파 신호의 전파 및 반사를 시뮬레이션하기 위해 음향 분석이 수행됩니다. 이를 완료하기 위해 음향 시뮬레이션 소프트웨어(예: COMSOL Multiphysics의 음향 모듈)를 사용할 수 있습니다. 초음파 센서 구조의 유한 요소 분석(FEA)은 다양한 조건에서의 성능을 이해하기 위해 수행됩니다. FEA는 열팽창, 진동 등이 측정 결과에 미치는 영향을 분석하는 데 도움이 됩니다. 시뮬레이션에서는 센서와 파이프라인 사이의 접촉을 고려하여 초음파 전송에 미치는 영향을 평가합니다.
실험실 검증 및 최적화
실험실에서는 실제 유량 측정을 위해 유량 테스트 벤치를 사용하고 그 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하여 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증합니다. 시뮬레이션 모델의 매개변수는 예측 정확도를 높이기 위해 실험 결과를 기반으로 조정됩니다. 시뮬레이션을 통해 센서의 위치, 고정구 설계, 설치 방법을 최적화하여 측정 정확도와 안정성을 향상시킵니다. 적절한 따라하기클램프 온 초음파 유량계 설치 지침잘못된 설치는 측정 정확도에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 최적화 과정에서 매우 중요합니다. 다양한 결함 조건(예: 기포, 고체 입자)이 시뮬레이션에서 시뮬레이션되어 유량계 성능에 미치는 영향을 평가합니다. 실험 과정에서 유체의 물리적 특성(예: 온도 및 압력)을 고려해야 합니다. 이러한 특성은 초음파 전파 속도에 영향을 미치기 때문입니다. 또한, 실제 환경에서의 잡음 및 간섭은 초음파 신호의 품질에 영향을 미칠 수 있으므로 시뮬레이션과 실험을 통한 신호 처리 알고리즘의 최적화도 필요합니다.
COMSOL 다중물리 시뮬레이션 분석
모델 구성 및 시뮬레이션 분석을 위한 예로 COMSOL Multiphysics 5.6 소프트웨어를 사용하면 시뮬레이션을 통해 다양한 각도, 파이프라인 재료, 파이프 직경, 초음파 주파수 및 설치 방법이 초음파 전파에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다. 초음파 유량 측정 모델의 개략도는 그림 3.6에 나와 있습니다. 3D 모델 솔루션의 계산 효율성을 향상시키기 위해 일반적으로 대칭을 사용하여 채널의 절반을 시뮬레이션하여 전체 모델을 나타냅니다. 모델 구축 과정에서 서로 다른 파이프 직경에 설치된 두 변환기의 서로 다른 수평 변위 거리뿐 아니라 초음파 굴절 각도에 대한 서로 다른 파이프라인 재료의 영향도 고려해야 합니다.
그림 3.6 초음파 유량 측정 모델 구성의 개략도
변환기 설치 방법
다양한 파이프 직경을 측정하기 위한 일반적인 요구 사항을 충족하려면 초음파 유량 측정에 초음파 변환기의 다양한 작동 주파수와 다양한 변환기 설치 방법을 사용해야 합니다. 그만큼클램프온형 초음파유량계파이프 절단이나 프로세스 중단 없이 비침습적 설치가 가능하므로 이 점에서 특별한 이점을 제공합니다.- 일반적인 설치 방법에는 V-자형, Z-자형, N-자형 및 W-자형이 있습니다. 다양한 트랜스듀서 설치 방식이 초음파 전파 신호에 미치는 영향을 연구하기 위해서는 관련 연구를 수행할 필요가 있습니다. 이 기사에서는 주로 Z-형 변환기 설치 방법 모델링 시뮬레이션을 시연의 예로 사용합니다.
불연속 Galerkin 방법 및 그리드 분할
COMSOL Multiphysics 5.6에서는 "Convection Equation, Time Domain Explicit" 인터페이스 모듈이 사용되며 기본적으로 사차 함수가 있는 공식의 일부를 구성합니다. 파동 문제를 해결하기 위해서는 Discontinuous Galerkin 방법이 효율적인 방법임이 입증되었습니다. 불연속 Galerkin 방법은 대형 모델의 그리드 분할 문제를 단순화하여 반-파장 크기의 자유 사면체 그리드를 사용할 수 있게 하고 최종적으로 전체 모델을 해결합니다. 실제 그리드 분할에서는 적절한 공간 분해능을 얻기 위해 일반적으로 그리드 요소 크기를 파장의 절반에서 파장의 2{5}}사이의 값으로 설정합니다. 시간- 영역 명시적 솔버를 사용할 때 내부 시간 단계 크기는 COMSOL 소프트웨어에 의해 엄격하게 제어되므로 모델의 가장 작은 그리드 요소가 시간 단계를 제어합니다. 자유 사면체 그리드 요소를 설정할 때 최대 및 최소 요소 크기를 제어해야 합니다. COMSOL Multiphysics 5.6에서 "대류 방정식" 시간{11}}영역 명시적 인터페이스의 경우 내부 시간 단계는 그리드의 미세 조정 수준과 물리적 특성을 기반으로 자동으로 선택됩니다. 그림 3.7은 Z-형 설치 방법을 사용하여 배경 유속 및 음향을 연구하기 위한 그리드 분할을 보여줍니다.
(a) 배경 흐름 속도 (b) 음향
그림 3.7 다양한 시간에서의 배경 흐름 속도 및 음향 연구를 위한 그리드 분할
물리적 필드 구성
모델이 구축된 후에는 물리적 필드를 설정해야 합니다. 파이프라인의 액체 영역은 실제 사용 중에 파이프라인의 유체를 시뮬레이션하기 위해 층류 또는 난류 물리적 장으로 설정됩니다. 파이프라인의 액체 영역, 파이프라인 및 파이프라인 양쪽의 변환기는 초음파 전파를 시뮬레이션하기 위해 "대류 방정식, 시간 영역 명시적" 물리적 필드로 설정됩니다. "대류 방정식, 시간 영역 명시적" 물리적 필드 설정에서 파이프라인의 끝은 계산을 자르기 위한 임피던스 경계로 정의됩니다. 층류 또는 난류 시뮬레이션에서 유체 입구는 왼쪽에 있고 유체 출구는 오른쪽에 있습니다. 에이끈을 매다초음파 유량계파이프라인의 하단에 초음파 송신기를 설치하고 상단에 수신기를 설치하여 구성이 이루어집니다. 초음파를 방출하기 위해 송신기 끝에 수직 속도가 적용됩니다.
유체 상태 모델링 및 분석
초음파 유량 측정 시뮬레이션을 위해 COMSOL Multiphysics 5.6 소프트웨어를 사용할 때 파이프라인의 유체 상태를 먼저 모델링하고 분석해야 합니다. 외경 15mm, 벽 두께 0.75mm의 PVC 파이프를 예로 들어 층류 및 난류 시뮬레이션을 수행했습니다. 이러한 시뮬레이션은 다음과 같은 방법을 이해하는 데 필수적입니다.유량계의 초음파 스트랩다양한 흐름 조건에서 작동합니다. 층류 시뮬레이션은 물리적 필드 설정을 위해 COMSOL Multiphysics 5.6의 "Laminar Flow" 모듈을 사용하고, 난류 흐름 시뮬레이션은 "Turbulent Flow, k-Ω" 모듈을 사용합니다. 그림 3.8은 층류 및 난류 조건에서 배경 흐름 속도의 크기를 보여줍니다.
그림 3.8에서 층류 조건 하에서 파이프라인의 각 부분의 유속은 거의 균일하여 배경 유체의 평균 유속에 가깝다는 것을 알 수 있습니다. 다이어그램에 따르면 파이프라인 중앙의 색상이 짙을수록 유속이 더 높다는 것을 나타냅니다.
(a) 층류 유동 (b) 난류 유동
그림 3.8 다양한 유체 상태에서 배경 흐름 속도의 크기
배경 흐름 속도 분석
파이프라인 각 부분의 유속을 보다 명확하게 표시하기 위해 파이프라인의 한 섹션을 선택하여 배경 유속 곡선을 그렸습니다. 그림 3.9는 층류 및 난류 조건 하의 배경 유속 곡선을 보여줍니다.
외경 15mm, 벽두께 0.75mm의 PVC 파이프에 대해 시뮬레이션 해석을 수행하였다. "Laminar Flow" 모듈을 사용한 시뮬레이션 결과는 그림 3.9(a)에 나와 있습니다. 층류 상태에서는 파이프 표면의 5mm 범위 내에서만 유속 천이가 발생하는 반면, 다른 위치의 유속은 약 10m/s로 유체가 파이프 마찰로 인해 파이프 벽 근처에서 흐름 지연을 경험하는 것을 알 수 있습니다. 이에 반해, "Turbulent Flow, k-Ω" 모듈을 사용한 시뮬레이션 결과는 그림 3.9(b)에 나와 있습니다. 평균 유속이 10m/s인 조건에서 파이프 벽 근처의 유속은 약 4.5m/s이고 파이프라인 중앙의 유속은 약 12.2m/s에 도달할 수 있으며 유속 분포는 포물선 모양을 형성합니다.
(a) 층류
(b) 난류
그림 3.9 다양한 유체 상태에서의 배경 흐름 속도 곡선
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