- 작성자: LiuXing, 초음파 유량계 R&D 분야에서 15+년의 경험을 보유한 수석 유량 측정 엔지니어,

CFD 해석 인증(ANSYS Fluent Professional)

삽입 초음파 유량계 파이프라인 구조 시뮬레이션의 엔지니어링 가치

시뮬레이션 기술이 필요한 이유는 무엇입니까?

실무공학에서는 삽입의 성능초음파 유량계파이프라인 상태에 따라 크게 영향을 받습니다. 기존 방법은 -사이트 디버깅을 반복적으로 수행하는데, 이는 비용이 많이 들 뿐만 아니라 시운전 후에야 설계 결함을 드러낼 수도 있습니다. 시뮬레이션 기술의 도입으로 이러한 상황이 바뀌었고 엔지니어는 설계 단계에서 잠재적인 문제를 식별하고 해결할 수 있게 되었습니다.

핵심 가치는 '시행-및-오류 비용'을 현장에서 컴퓨터로 이전하고 값비싼 물리적 실험을 수치 계산으로 대체하는 것입니다.

시뮬레이션을 통해 해결되는 6가지 주요 엔지니어링 문제

프로브 위치를 결정하는 방법

파이프라인의 유속은 균일하게 분포되지 않습니다. 엘보우와 밸브는 국소적인 소용돌이를 생성하며 이러한 영역에 프로브를 설치하면 판독값이 왜곡될 수 있습니다. 엔지니어는 유체 역학 계산을 사용하여 파이프라인의 모든 지점에서 속도 벡터를 시각화함으로써 센서 설치를 위한 상대적으로 안정적인 유동장 단면을 선택합니다. 이는 정확한 흐름 프로파일 보정 계수(FPCF) 결정에 필수적입니다.

실습 결과: 프로브 경사각(5도 수준)의 사소한 차이로 인해 측정 영역의 흐름 상태가 변경됩니다. 최소 오류가 있는 솔루션을 찾기 위해 여러 각도 구성을 체계적으로 테스트하는 것은 물리적 실험에서 거의 비현실적이지만, 계산 분석은 변환기 돌출 및 오목 효과를 고려하면서 며칠 내에 완료할 수 있습니다.

정확도 병목 현상은 어디에 있습니까?

초음파 측정은 "시간차" 원리에 의존하며 유체 매개변수(온도, 압력, 구성)의 변화는 모두 음속에 영향을 미칩니다. 단순한 경험적 공식으로는 모든 운영 조건을 포괄하기 어렵습니다. 특히 상거래 정확도 요구 사항을 충족할 경우 더욱 그렇습니다.

시뮬레이션은 레이놀즈 수 종속성 분석을 통해 입력 매개변수와 측정 편차 간의 매핑 관계를 설정합니다. 예를 들어, 유체 온도가 ±10도 변동할 때 음속은 얼마나 변합니까? 이 변경 사항이 흐름 오류로 어떻게 변환됩니까? 이 정량적 데이터를 사용하여 효과적인 온도 보상 알고리즘을 설계할 수 있습니다.

복잡한 흐름 상태를 처리하는 방법

교과서에 나오는 층류 모델은 실제 파이프라인에 거의 등장하지 않습니다. 난류, 2차 흐름, 심지어 기체-액체 2상 흐름-으로 인해 속도 프로파일이 이상적인 상태에서 심각하게 벗어나게 됩니다. 전산유체역학(CFD)은 이러한 복잡한 현상을 재현할 수 있습니다. 엔지니어링 사례에 따르면 특정 90도 굴곡의 하류 파이프 직경 15배에 상당한 속도 왜곡이 여전히 존재합니다. 이를 이해하지 못하면 표준 유동장 가정에 따라 계산된 유량이 몇 퍼센트 포인트만큼 벗어날 수 있으며, 특히 다중 경로 초음파에 영향을 미칠 수 있습니다.유량계통합 정확도.

음파 전파 경로 최적화

초음파는 전파 중에 파이프 벽 반사, 용접 산란, 중간 정도의 불균일-등의 간섭을 받습니다. 이러한 요소의 누적 효과로 인해 신호 강도가 약화되거나 잡음이 발생할 수 있습니다.

음향 광선 추적 시뮬레이션 기술을 사용한 음향 시뮬레이션은 파이프라인 내부 빔의 실제 궤적을 보여줍니다. 일부 기하학적 구성은 "음향적 그림자 영역"을 생성하여 수신 신호가 매우 약해집니다. 다른 구성은 신호가 강력하더라도 다중 경로 효과로 인해 파형 왜곡이 발생합니다. 비교 분석을 통해 엔지니어는 최적의 신호-대-잡음 비율을 갖는 배열 방식을 선택할 수 있습니다.

설치 제약 하에서의 성능 보증

표준 사양에는 일반적으로 상류 직관 단면의 파이프 직경 20이 필요하지만 현장 조건이 이 요구 사항을 충족하지 못하는 경우가 많습니다. 파이프라인 수정 비용은 수십만 달러에 달할 수 있습니다.

시뮬레이션은 "비{0}}표준 설치"에 대한 타당성 평가를 제공합니다. 다중-경로 구성 보상과 결합하여 다양한 직선 파이프 섹션 길이에서 유동장 회복 정도를 계산합니다.기술Gauss-Jacobi 통합 방법을 사용하면 파이프 직경이 6~8인 공간에서도 인증된 정확도를 얻을 수 있습니다. 이를 위해서는 단순히 사양을 적용하는 것이 아니라 ISO 17089 규정 준수 검증을 보장하는 동시에 특정 프로젝트에 대한 맞춤형 분석이 필요합니다.

특수 매체에 대한 적용 가능성

고점도 액체, 고체 입자가 포함된 슬러리, 고온-고온-압력 가스와 같은 작동 조건은 기존 유체와 크게 다른 흐름 특성을 갖습니다. 성급하게 설치하면 장비가 손상되거나 측정 오류가 발생할 수 있습니다.

시뮬레이션을 통해 가상 환경에서 극한 조건을 테스트할 수 있습니다. 예를 들어, 프로브에 대한 고속 가스 흐름의 충격력이-와류 발산 주파수 예측을 통해 구조적 공명을 일으킬지 여부를 계산합니다. 또는 입자 충격 빈도가 센서 마모를 가속화하는지 여부를 분석합니다. 이 정보는 재료 선택 및 구조 강화 설계를 안내합니다.

기술 적용의 경계

시뮬레이션은 전능하지 않습니다. 정확성은 다음에 따라 달라집니다.

• 수학적 모델이 실제 물리적 프로세스를 포괄하는지 여부
• 경계조건 설정이 실제 상황과 일치하는지 여부
• 개선된 솔루션에 컴퓨팅 리소스가 충분한지 여부

완전히 새로운 흐름 현상이나 극단적인 작동 조건의 경우 시뮬레이션 결과에 실험 데이터 검증이 필요합니다. 그럼에도 불구하고 시뮬레이션은 여전히 ​​실험 범위를 크게 좁히고 주요 매개변수에 초점을 맞추며 연구 개발 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

그림 3.1: 삽입형-형 초음파 유량계

그림 3.1은 일반적으로 사용되는 삽입형-형 초음파 유량계를 보여줍니다. 작동 원리는 파이프라인 양쪽에 한 쌍의 초음파 센서를 설치하고 하류 흐름과 상류 흐름의 초음파 펄스 속도 차이를 감지하고 계산하여 정확한 유량 측정을 달성하는 것입니다. 측정 과정에서 센서는 반대 방향으로 교대로 초음파 신호를 전송하고 수신합니다. 초음파 신호는 상류 흐름보다 하류 흐름에서 더 빠르게 전파됩니다. 유체가 정지해 있을 때 시간 차이는 0입니다. 따라서 하류 및 상류 흐름에서 초음파의 전파 시간을 측정함으로써 시간차 t를 얻을 수 있습니다. t와 유속 V의 관계에 따라 유체의 평균 유속을 간접적으로 측정할 수 있으며 파이프라인 단면적을 기준으로 체적 유량 Q를 계산할 수 있습니다-.

유체 채널 설계에서는 유체 흐름 속도와 흐름 범위를 고려해야 하며, 파이프라인 설계는 흐름 측정의 정확성을 보장하기 위해 유체 흐름 속도 범위에 더 중점을 두어야 합니다. 지나치게 높거나 낮은 유체 유속은 궁극적으로 초음파 신호의 전파 특성에 영향을 미칩니다.

파이프라인 치수, 즉 파이프라인의 내부 직경은 측정된 파이프라인의 내부 직경과 일치해야 유체 흐름에 대한 교란을 줄여 최종 측정 결과에 영향을 주지 않습니다. 파이프라인 구조의 지지 구조는 서비스 수명을 연장하기 위해 내식성-내마모성-재료를 선택해야 합니다. 동시에 높은 유속이나 높은 압력 하에서 안정성을 보장하려면 합리적인 설계가 필요합니다. 초음파 변환기는 응용 요구 사항에 따라 적절한 초음파 변환기 유형(예: 유도파 유형 또는 반사 유형)을 선택한 다음 초음파 신호가 전체 파이프라인을 효과적으로 통과할 수 있도록 초음파 변환기를 설치할 적절한 위치를 선택해야 합니다.
위의 요소 외에도 Tang Xiaoyu[103]와 Zhejiang University의 다른 학자들이 수행한 연구에는 90도 굽힘 및 180도 굽힘 조건에서 초음파 유량계의 각 음향 경로에 대한 비{3}}이상적인 유속 분포의 영향, 특히 유속 측정 및 유량계 정확도에 대한 영향이 포함됩니다. Zhang Zhijun과 Zhu Yingsheng[102] 등의 학자들은 이전 연구를 바탕으로 CFD 시뮬레이션 기술을 사용하여 초음파 변환기 설치 각도에 대해 30도에서 60도 사이의 7개 각도(5도 간격)에 대한 시뮬레이션 해석을 수행했습니다. 결과는 다양한 설치 각도가 음향 경로의 홈 부분의 유속 분포에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 동시에, 시뮬레이션된 유속과 이상적인 유속 사이의 상대 오차를 분석하여 설계된 DN80 직경 가스 초음파 유량계의 최적 변환기 설치 각도는 50도인 것으로 결정되었습니다.

삽입형-형 초음파 유량 측정 파이프라인 시뮬레이션 연구

시뮬레이션 연구에서는 다음 세 가지 측면을 고려합니다.

유체 역학 시뮬레이션, 초음파 전파 시뮬레이션, 구조 역학 시뮬레이션. CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델을 사용하여 파이프라인 내부의 유체 흐름을 시뮬레이션한 후 유속 분포, 와류 등의 요소가 초음파 신호 전파에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다. 시뮬레이션 과정에서 유체에 발생할 수 있는 소용돌이, 기포 등을 확인하여 초음파 측정에 최대한 방해가 되지 않도록 해야 합니다.
예를 들어 파이프라인 유량계의 전체 본체 길이가 L=230 mm이고 직경이 D=80 mm인 경우 다양한 변환기 설치 각도가 유속 분포에 미치는 영향을 고려합니다. 트랜스듀서 설치 각도를 30도 ~60도로 설정하고, 5도 간격으로 시뮬레이션 모델을 구축합니다. 다양한 설치 각도가 그림 3.2에 나와 있습니다. ANSYS 소프트웨어가 시뮬레이션을 수행할 때 컴퓨터 메모리 소비 및 계산 부하를 줄이기 위해 가스 초음파 유량계의 CFD 모델은 유량계 하우징의 내경 설정과 변환기 모델만 고려하고 나머지는 일시적으로 무시하여 어느 정도 단순화할 수 있습니다.
기하학적 모델은 전면 파이프라인, 가스 초음파 유량계 및 후면 파이프라인의 세 부분으로 나뉩니다. 그 중 전면 및 후면 파이프라인은 구조화된 메쉬를 채택하고, 중간 가스 초음파 유량계는 사면체 메쉬를 채택하고, 인터페이스 표면 연결은 연결점에서 사용되며 연결 표면의 메쉬 미세 조정이 사용됩니다. 출구 및 입구 직선 파이프라인은 구조화된 메쉬를 육면체 메쉬로 채택하며 최대 메쉬 크기는 2, Spacing1(첫 번째 경계층 메쉬 간격)은 1.5, Ratio1(첫 번째 경계층 메쉬 성장 속도)은 2, Spacing2(두 번째 경계층 메쉬 간격)는 1.5, Ratio2(두 번째 경계층 메쉬 성장 속도)는 2입니다. 가스 초음파 유량계 본체 섹션의 최대 메쉬 크기는 5입니다. 최대 메쉬 크기가 1.5인 변환기 메쉬에 로컬 미세 조정이 적용됩니다. 메쉬 크기를 2로 유지하면서 인터페이스 메쉬에 로컬 미세 조정이 적용됩니다.

그림 3.2 다양한 설치 각도에서의 트랜스듀서의 개략도

변환기 각도 최적화 결과 차트

CFD 시뮬레이션 소프트웨어 선택 및 설정

ANSYS Fluent와 COMSOL 비교:초음파 유량계 시뮬레이션에 어떤 것이 더 좋습니까?
난류 모델 비교:레이놀즈 수 10⁴-107에 대한 k-ε 대 k-Ω SST 대 RSM
메쉬 품질 기준:y+ < 1, 종횡비 < 100, 왜도 < 0.85

그림 3.3: 모델링 모델

벽면 근처의 속도 구배가 크기 때문에 경계층 메쉬 세분화는 지수 성장 법칙을 사용하여 초기 높이(초기 높이)를 0.1, Height Ratio(각 경계층의 비율)를 1.2, Number of Layers(경계층 수)를 3, Total Height(경계층의 전체 높이)를 0.7로 채택했습니다. 최종 총 메시 수는 약 150만 개입니다. DN80 4{7}}경로 트랜스듀서 설치 각도 50도를 예로 들면 메시 분할 결과는 그림 3.3에 나와 있습니다.

그림 3.4: 입구 흐름 속도 10m/s, 설치 각도 50도 및 30도에서의 속도 등고선 지도

서로 다른 설치 각도에서 파이프라인 내부의 유체 분포를 더 잘 이해하기 위해 설치 각도가 30도와 50도인 두 가지 경우를 예로 들어 입구 유속이 10m/s일 때 경로 1과 3의 속도 등고선 맵이 그림 3.4에 표시됩니다.

파이프라인 상태 및 측정 요구 사항에 대한 무료 타당성 평가를 받으려면 지금 당사 엔지니어링 팀에 문의하세요.