Simulace proudění v ultrazvukových průtokoměrech - úvodní studie

Simulace proudění v ultrazvukových průtokoměrech - úvodní studie Autoři: Ing. Tomáš SYKA, NTC, Západočeská univerzita v Plzni, e-mail: [email protected] Ing. Richard MATAS, Ph.D., NTC, Západočeská univerzita v Plzni, e-mail: [email protected]

Anotace: Příspěvek pojednává o simulaci proudění vody v ultrazvukových průtokoměrech bez vlivu a s vlivem hydraulických poruch. Shrnuje základní principy UZ průtokoměrů, vliv poruch na přesnost měření různými typy průtokoměrů. Dále je uvedeno hledání vhodné konfigurace modelu, sledován vliv různých parametrů a především vliv hydraulických poruch před průtokoměrem na proudové pole v průtokoměru.

Annotation: This article deals simulation of water flow in ultrasonic flow meters with and without influence of hydraulic perturbations. It summarises basic principles of the ultrasonic flow meters, influence of the perturbations on measuring accuracy with using different types of flow meters. Also is noticed finding of a proper model configuration, influence of different parameters and mainly influence of hydraulic perturbations in front of the flow meter on flow field in the flow meter.

Úvod V tomto příspěvku jsou řešeny ultrazvukové průtokoměry fungující na principu měření doby průchodu signálu médiem, kdy jeden z vysílačů vysílá ultrazvukový signál po směru proudění a druhý proti směru proudění tekutiny. Z rozdílu mezi dobami průchodu obou signálů k protilehlé jednotce se vyhodnocuje rychlost proudící tekutiny. Pro přesné měření ultrazvukovými průtokoměry je důležité dosáhnout příznivého proudového pole mezi měřícími čidly (sondami). Mělo by být co nejrovnoměrnější a ustálené pro co nejširší rozsah průtoků média. Nejvlivnějším faktorem při návrhu průtokoměrů je právě velikost měřicích sond, protože se musí do průtokoměru zabudovat tak, aby co nejméně narušovaly proudové pole, zároveň byl zaručen neustálý kontakt s médiem, ale také se musí přihlédnout na způsob výroby průtokoměru a tím prakticky danou jeho cenu. Průtokoměry se dle normy kalibrují na vodní trati s použitím deskových a rotačních hydraulických poruch v dané vzdálenosti před průtokoměry. Tyto poruchy generují v proudu vody vírové struktury a ty ve výsledku ovlivňují přesnost měření.

ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 1

Geometrie a numerické výpočty Geometrický model se skládá ze tří hlavních částí. Jedná se o předřazenou uklidňující délku, hydraulickou poruchu a samotný průtokoměr. Ty jsou doplněny vstupní a výstupní trubkou jako náhrada za část kalibrační trati. Pro účely numerických výpočtů byly vytvořeny varianty jednopaprskových odlévaných průtokoměrů pro potrubí o světlosti DN 80. Délky jednotlivých komponentů jsou závislé na použité variantě průtokoměru. Jednotlivé části jsou popsány na obrázcích 1 a 2.

Kapsy s měřicími sondami

Průtokoměr

Uklidňující délka

Rotační porucha

Obrázek 1: Geometrický model průtokoměru s rotační poruchou

Obrázek 2: Detail umístění sondy a usměrňovače v průtokoměru ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 2

Geometrické modely a výpočetní sítě byly vytvořeny v programech ANSA, TGrid a GAMBIT. Výpočetní sítě jsou poměrně rozsáhlé a obsahují kolem 9 milionů buněk. Jsou tvořeny většinou čtyřstěny a tam, kde je to možné, jsou použity na stěnách pětistěny pro lepší popis chování mezní vrstvy. Modely jsou tvořeny modulárně, aby bylo možno snadno změnit typ poruchy (viz obrázek 3) nebo zahrnout či zanedbat vliv usměrňovače.

Obrázek 3: Desková a rotační hydraulická porucha CFD model průtokoměru byl doplněn o okrajové podmínky hmotnostního průtoku a tlakového výstupu. Vzhledem k charakteru proudění a nestálým jevům vznikajícím v prostoru průtokoměru bylo nutné úlohu řešit nestacionárně, což prodlužuje dobu výpočtu. Jako modely turbulence byly použity RNG K-ε a později LES za účelem porovnání výsledků. Jak se později ukázalo, je lepší použít model turbulence LES, protože RNG K-ε se projevuje velkými tlumícími schopnosti nestacionárních jevů.

Výsledky měření a výpočtů Průtokoměry DN 80 jsou kalibrovány pro poměrně velký rozsah průtoků média - od 1,3 až do 77 m3/hod. Z měření a následně i z výpočtů se ukázalo, že největší vliv na proudové pole má rotační hydraulická porucha. Desková porucha má tak malý vliv na proudění, že se vzniklé vírové struktury stihnou rozpadnout před průtokoměrem, nebo se usměrní díky křížovým usměrňovačům ve vstupním otvoru průtokoměru. Dalším problémem je přechodová oblast turbulence, která se projevuje při nízkých průtocích. Ukázka kalibračního měření je v grafu č.1. Měření 1,2,3 jsou bez vlivu poruchy a 4,5,6 s rotační poruchou. Při výpočtu se vyhodnocoval průběh rychlosti po dráze ultrazvukového paprsku a její RMS. Jak je vidět v grafech 2 a 3, průběh není konstantní, protože dochází k velkým odchylkám v oblasti kapes v blízkosti měřicích sond. Velký vliv na průběh rychlosti má zejména vysunutí sond do proudu tekutiny a také nevhodný tvar kapes.

ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 3

Chyby měření průtoku 6

Chyba měření E [%]

4 měření 1 měření 2

2

měření 3

0

měření 4 měření 5

-2

měření 6 mezní chyba [%]

-4

-6 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Objemový průtok Q [m3/h]

Graf 1: Kalibrační měření ultrazvukového průtokoměru

9 8

Rychlost [m/s]

7 6 5 4

Porucha 0

3

Porucha R

2 1 0 -1 0

0.025

0.05 0.075

0.1

0.125

0.15 0.175

0.2

0.225

-2

Délka paprsku [m]

2.25 2

RMS [m/s]

1.75 1.5 1.25

Porucha 0

1

Porucha R

0.75 0.5 0.25 0 0

0.025 0.05 0.075

0.1

0.125 0.15 0.175

0.2

0.225

Délka paprsku [m]

Graf 2 a 3: Průběh rychlosti a RMS po dráze ultrazvukového paprsku - průtok 77 m3/hod ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 4

Obrázek 4: RMS rychlosti (m/s) ve vodorovném řezu průtokoměrem - průtok 77 m3/hod, bez hydraulické poruchy

Obrázek 5: RMS rychlosti (m/s) ve vodorovném řezu průtokoměrem - průtok 77 m3/hod, rotační hydraulická porucha

ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 5

Závěr Úvodní studie zabývající se numerickým řešením proudění v ultrazvukových průtokoměrech ukázala možnosti CFD systému pro řešení tohoto typu průtokoměru, dále posloužila pro podrobné seznámení s problematikou a pro nalezení vhodného nastavení modelu a zjištění základních informací o proudovém poli v tělesech průtokoměrů. Po porovnání průměrných hodnot velikosti rychlostí po délce paprsku z numerických simulací variant bez hydraulické poruchy a s poruchou, získáme pro režim 77 m3/hod vzájemnou relativní odchylku přibližně 4%. Jak se ale ukázalo, největší vliv na přesnost průtokoměru má způsob umístění ultrazvukových sond. Velkou částí totiž zasahují do vnitřního průřezu průtokoměru a tvoří se za nimi víry. Na popsané práce navazují v současné době další měření a numerické simulace průtokoměrů pro konfrontaci CFD výsledků s měřením a dále konstrukční návrhy a proudové simulace upravených těles pro výrobu průtokoměrů s lepšími vlastnostmi a vyšší přesností.

Poděkování Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu programu TIP, projektu FR—TI1/126.

LITERATURA: [1] Andrea Frattolillo, Nicola Massarotti, Flow conditioners efficiency a comparison based on numerical approach, Flow Measurement and Instrumentation, Volume 13, Issues 1-2, March-April 2002, Pages 1-11 [2] Rick Rans, Blaine Sawchuk, Marvin Weiss, Flow Conditioning and Effects on Accuracy for Fluid Flow Measurement, 7th South East Asia Hydrocarbon Flow Measurement Workshop, 5th – 7th March 2008. [3] Neil Colin Temperley, Optimisation of an Ultrasonic Flow Meter Based on Experimental and Numerical Investigation of Flow and Ultrasound Propagation, Ph.D. Thesis, University of New South Wales, 2002 [4] Peter D. Lysak, David M. Jenkins, Dean E. Capone, William L. Brown, Analytical model of an ultrasonic cross-correlation flow meter, part 2: Application, Flow Measurement and Instrumentation, Volume 19, Issue 1, March 2008, Pages 41-46 [5] Matas, R.; Kůs, M..: Rešerše prací o modelování proudění v ultrazvukových průtokoměrech a podobných zařízeních - zjištění stavu simulací a nastavení modelů ve světě. Technická zpráva ZČU NTC 02-06/09. [6] Matas, R.; Syka, T..: Simulace proudového pole v ultrazvukových průtokoměrech příprava modelů, úvodní studie. Technická zpráva ZČU NTC 02-10/09.

ANSYS konference 2010 Frymburk 6. - 8. října 2010 6