Studi Simulasi Pengukur Aliran Ultrasonik Penjepit Eksternal
Studi simulasi eksternaljepitpengukur aliran ultrasonikmelibatkan pemodelan dan simulasi prinsip kerja dan kinerja pengukur aliran untuk mengoptimalkan desainnya, meningkatkan akurasi pengukuran, atau mengevaluasi kinerjanya dalam kondisi pengoperasian yang berbeda.
Pemodelan Simulasi Numerik
Pemodelan simulasi numerik diterapkan untuk membangun model matematika aliran fluida dan perambatan gelombang ultrasonik, termasuk persamaan dinamika fluida dan persamaan akustik. Alat Computational Fluid Dynamics (CFD) digunakan untuk memodelkan aliran fluida. Alat-alat ini dapat mensimulasikan turbulensi, distribusi kecepatan aliran, dll, dan menganalisis dampak perambatan gelombang ultrasonik. Berdasarkan CFD, analisis akustik dilakukan untuk mensimulasikan propagasi dan refleksi sinyal ultrasonik. Perangkat lunak simulasi akustik (seperti modul akustik di COMSOL Multiphysics) dapat digunakan untuk menyelesaikan hal ini. Analisis Elemen Hingga (FEA) pada struktur sensor ultrasonik dilakukan untuk memahami kinerjanya dalam kondisi yang berbeda. FEA membantu menganalisis efek ekspansi termal, getaran, dll., pada hasil pengukuran. Kontak antara sensor dan pipa dipertimbangkan dalam simulasi untuk mengevaluasi pengaruhnya terhadap transmisi ultrasonik.
Verifikasi dan Optimasi Laboratorium
Di laboratorium, bangku uji aliran digunakan untuk pengukuran aliran aktual, dan hasilnya dibandingkan dengan hasil simulasi untuk memverifikasi keakuratan model simulasi. Parameter model simulasi disesuaikan berdasarkan hasil eksperimen untuk meningkatkan akurasi prediksi. Melalui simulasi, posisi sensor, desain perlengkapan, dan metode pemasangan dioptimalkan untuk meningkatkan akurasi dan stabilitas pengukuran. Mengikuti dengan benarpenjepit pedoman pemasangan pengukur aliran ultrasoniksangat penting selama proses pengoptimalan ini, karena pemasangan yang salah dapat mempengaruhi keakuratan pengukuran secara signifikan. Kondisi kesalahan yang berbeda (seperti gelembung, partikel padat) disimulasikan dalam simulasi untuk mengevaluasi dampaknya terhadap kinerja flow meter. Selama proses percobaan, sifat fisik fluida (seperti suhu dan tekanan) perlu diperhatikan, karena sifat ini mempengaruhi kecepatan rambat gelombang ultrasonik. Selain itu, kebisingan dan interferensi di lingkungan nyata dapat mempengaruhi kualitas sinyal ultrasonik, yang juga memerlukan optimalisasi algoritma pemrosesan sinyal melalui simulasi dan eksperimen.
Analisis Simulasi Multifisika COMSOL
Mengambil perangkat lunak COMSOL Multiphysics 5.6 sebagai contoh untuk konstruksi model dan analisis simulasi, simulasi dapat menganalisis dampak berbagai sudut, bahan pipa, diameter pipa, frekuensi ultrasonik, dan metode pemasangan pada perambatan gelombang ultrasonik. Diagram skema model pengukuran aliran ultrasonik ditunjukkan pada Gambar 3.6. Untuk meningkatkan efisiensi komputasi solusi model 3D, kami biasanya menggunakan simetri untuk mensimulasikan setengah saluran untuk mewakili keseluruhan model. Selama proses konstruksi model, pengaruh bahan pipa yang berbeda pada sudut refraksi ultrasonik harus dipertimbangkan, serta jarak perpindahan horizontal yang berbeda untuk dua transduser yang dipasang pada diameter pipa yang berbeda.
Gambar 3.6 Diagram Skema Konstruksi Model Pengukuran Aliran Ultrasonik
Metode Pemasangan Transduser
Untuk memenuhi persyaratan umum untuk mengukur diameter pipa yang berbeda, frekuensi kerja transduser ultrasonik yang berbeda dan metode pemasangan transduser yang berbeda harus digunakan dalam pengukuran aliran ultrasonik. Itupenjepit pada jenis flow meter ultrasonikmenawarkan keuntungan khusus dalam hal ini, karena memungkinkan pemasangan non-invasif tanpa memerlukan pemotongan pipa atau penghentian proses. Metode pemasangan yang umum mencakup bentuk V-, bentuk Z-, bentuk N-, dan bentuk W-. Untuk mempelajari pengaruh metode pemasangan transduser yang berbeda terhadap sinyal rambat gelombang ultrasonik, perlu dilakukan penelitian terkait. Artikel ini terutama menggunakan simulasi pemodelan metode pemasangan transduser bentuk Z-sebagai contoh demonstrasi.
Metode Galerkin Terputus dan Pembagian Grid
Dalam COMSOL Multiphysics 5.6, modul antarmuka "Persamaan Konveksi, Eksplisit Domain Waktu" digunakan, dan secara default, ini merupakan bagian dari rumus dengan fungsi kuartik. Untuk menyelesaikan permasalahan gelombang, metode Discontinuous Galerkin telah terbukti merupakan metode yang efisien. Metode Discontinuous Galerkin menyederhanakan masalah pembagian grid dalam model besar, memungkinkan penggunaan grid tetrahedral bebas dengan ukuran setengah-panjang gelombang, dan akhirnya menyelesaikan keseluruhan model. Dalam pembagian kisi sebenarnya, kami biasanya menyetel ukuran elemen kisi ke nilai apa pun antara setengah panjang gelombang dan dua-pertiga panjang gelombang untuk mendapatkan resolusi spasial yang sesuai. Saat menggunakan pemecah waktu-domain eksplisit, ukuran langkah waktu internal dikontrol secara ketat oleh perangkat lunak COMSOL, sehingga elemen kisi terkecil dalam model mengontrol langkah waktu. Saat menyetel elemen kisi tetrahedral bebas, ukuran elemen maksimum dan minimum harus dikontrol. Di COMSOL Multiphysics 5.6, untuk antarmuka eksplisit domain waktu "Persamaan Konveksi", langkah waktu internal dipilih secara otomatis berdasarkan tingkat penyempurnaan grid dan properti fisik. Gambar 3.7 menunjukkan pembagian grid untuk mempelajari kecepatan aliran latar belakang dan akustik menggunakan metode pemasangan bentuk Z-.
(a) Kecepatan Aliran Latar Belakang (b) Akustik
Gambar 3.7 Pembagian Grid untuk Mempelajari Kecepatan Aliran Latar Belakang dan Akustik pada Waktu Berbeda
Konfigurasi Bidang Fisik
Setelah model dibangun, bidang fisik perlu ditetapkan. Domain cairan dalam pipa ditetapkan sebagai bidang fisik aliran laminar atau turbulen untuk mensimulasikan fluida dalam pipa selama penggunaan sebenarnya; domain cair dalam pipa, pipa, dan transduser di kedua sisi pipa ditetapkan sebagai bidang fisik "Persamaan Konveksi, Domain Waktu Eksplisit" untuk mensimulasikan perambatan gelombang ultrasonik. Dalam pengaturan bidang fisik "Persamaan Konveksi, Domain Waktu Eksplisit", ujung pipa didefinisikan sebagai batas impedansi untuk memotong perhitungan. Dalam simulasi laminar atau turbulen, saluran masuk fluida berada di sebelah kiri, dan saluran keluar fluida berada di sebelah kanan. Amenyandangkanpengukur aliran ultrasonikkonfigurasi dibuat dengan pemancar ultrasonik dipasang di sisi bawah pipa, dan penerima dipasang di sisi atas. Kecepatan normal diterapkan pada ujung pemancar untuk memancarkan gelombang ultrasonik.
Pemodelan dan Analisis Keadaan Fluida
Saat menggunakan software COMSOL Multiphysics 5.6 untuk simulasi pengukuran aliran ultrasonik, keadaan fluida dalam pipa perlu dimodelkan dan dianalisis terlebih dahulu. Mengambil contoh pipa PVC dengan diameter luar 15 mm dan tebal dinding 0,75 mm, dilakukan simulasi laminar dan turbulen. Simulasi ini penting untuk memahami bagaimanatali ultrasonik pada flow meterbekerja dalam berbagai kondisi aliran. Simulasi aliran laminar menggunakan modul "Aliran Laminar" di COMSOL Multiphysics 5.6 untuk pengaturan medan fisik, dan simulasi aliran turbulen menggunakan modul "Aliran Turbulen, k-ω". Gambar 3.8 menunjukkan besarnya kecepatan aliran latar belakang dalam kondisi laminar dan turbulen.
Dari Gambar 3.8 terlihat bahwa pada kondisi aliran laminar, kecepatan aliran pada setiap bagian pipa hampir seragam, mendekati kecepatan aliran rata-rata fluida latar. Berdasarkan diagram, semakin gelap warna di tengah pipa, semakin tinggi kecepatan alirannya.
(a) Aliran Laminar (b) Aliran Turbulen
Gambar 3.8 Besaran Kecepatan Aliran Latar Belakang Dalam Keadaan Fluida Berbeda
Analisis Kecepatan Aliran Latar Belakang
Untuk menampilkan kecepatan aliran di setiap bagian pipa dengan lebih jelas, dipilih bagian pipa untuk memplot kurva kecepatan aliran latar belakang. Gambar 3.9 menunjukkan kurva kecepatan aliran latar belakang pada kondisi aliran laminar dan turbulen.
Untuk pipa PVC dengan diameter luar 15 mm dan tebal dinding 0,75 mm, dilakukan analisis simulasi. Hasil simulasi menggunakan modul “Laminar Flow” ditunjukkan pada Gambar 3.9(a). Terlihat bahwa pada keadaan aliran laminar, transisi kecepatan aliran hanya terjadi pada kisaran 5 mm pada permukaan pipa, sedangkan kecepatan aliran pada lokasi lain sekitar 10 m/s, hal ini menunjukkan bahwa fluida mengalami kelambatan aliran di dekat dinding pipa akibat gesekan pipa. Sebaliknya, hasil simulasi menggunakan modul "Turbulent Flow, k-ω" ditunjukkan pada Gambar 3.9(b). Terlihat pada kondisi kecepatan aliran rata-rata 10 m/s, kecepatan aliran di dekat dinding pipa sekitar 4,5 m/s, dan kecepatan aliran di tengah pipa dapat mencapai kurang lebih 12,2 m/s, dengan distribusi kecepatan aliran membentuk bentuk parabola.
(a) Aliran Laminar
(b) Aliran Turbulen
Gambar 3.9 Kurva Kecepatan Aliran Latar Belakang Dalam Keadaan Fluida Berbeda
Anda mungkin juga tertarik dengan topik ini.
