- Par LiuXing, ingénieur principal en mesure de débit avec 15+ ans d'expérience dans la R&D sur les débitmètres à ultrasons,

certifié en analyse CFD (ANSYS Fluent Professional)

Valeur technique de la simulation de la structure du pipeline du débitmètre ultrasonique à insertion

Pourquoi la technologie de simulation est-elle nécessaire ?

En ingénierie pratique, la performance de l'insertiondébitmètres à ultrasonsest considérablement affecté par l’état du pipeline. Les méthodes traditionnelles reposent sur un débogage-répété sur site, ce qui est non seulement coûteux, mais peut également révéler des défauts de conception seulement après la mise en service. L’introduction de la technologie de simulation a changé cette situation, permettant aux ingénieurs d’identifier et de résoudre les problèmes potentiels dès la phase de conception.

Sa valeur fondamentale réside dans : le transfert des "coûts d'essais-et-d'erreurs" du terrain vers les ordinateurs, en remplaçant les expériences physiques coûteuses par des calculs numériques.

Six problèmes d'ingénierie majeurs résolus par la simulation

Comment déterminer la position de la sonde

La vitesse d'écoulement dans les pipelines n'est pas uniformément répartie. Les coudes et les vannes créent des tourbillons locaux, et l'installation de sondes dans ces zones entraînera des lectures faussées. Les ingénieurs utilisent des calculs de mécanique des fluides pour visualiser les vecteurs de vitesse à chaque point du pipeline, sélectionnant ainsi des sections transversales de champ d'écoulement relativement stables-pour l'installation du capteur, ce qui est essentiel pour une détermination précise du facteur de correction du profil d'écoulement (FPCF).

La pratique montre que des différences mineures dans l'angle d'inclinaison de la sonde (au niveau de 5 degrés) modifieront l'état du débit dans la zone de mesure. Tester systématiquement plusieurs configurations d'angle pour trouver la solution avec un minimum d'erreur est presque impossible dans les expériences physiques, mais l'analyse informatique peut être réalisée en quelques jours tout en tenant compte des effets de saillie et d'évidement du transducteur.

Où est le goulot d’étranglement en matière de précision

La mesure par ultrasons repose sur le principe du « décalage horaire » et les changements dans les paramètres du fluide (température, pression, composition) affectent tous la vitesse du son. Les formules empiriques simples sont difficiles à couvrir toutes les conditions d’exploitation, en particulier lorsqu’elles répondent aux exigences de précision des transferts commerciaux.

La simulation établit la relation cartographique entre les paramètres d'entrée et l'écart de mesure grâce à l'analyse de dépendance du nombre de Reynolds. Par exemple, lorsque la température du fluide fluctue de ± 10 degrés, dans quelle mesure la vitesse du son change-t-elle ? Comment ce changement se traduit-il en erreur de flux ? Grâce à ces données quantitatives, des algorithmes efficaces de compensation de température peuvent être conçus.

Comment gérer les états de flux complexes

Le modèle d’écoulement laminaire présenté dans les manuels apparaît rarement dans les pipelines réels. La turbulence, l'écoulement secondaire et même l'écoulement biphasique gaz-liquide- font que les profils de vitesse s'écartent considérablement des états idéaux. La dynamique des fluides computationnelle (CFD) peut reproduire ces phénomènes complexes. Les cas d'ingénierie montrent qu'une asymétrie significative de la vitesse existe toujours à 15 diamètres de tuyaux en aval d'un certain coude à 90 degrés. Sans comprendre cela, le débit calculé selon les hypothèses de champ d'écoulement standard peut s'écarter de plusieurs points de pourcentage, affectant particulièrement les ultrasons à trajets multiples.débitmètreprécision de l'intégration.

Optimisation du chemin de propagation des ondes acoustiques

Les ondes ultrasoniques rencontrent des interférences telles que des réflexions sur les parois des tuyaux, la diffusion des soudures et une non-uniformité du milieu lors de la propagation. L'effet cumulé de ces facteurs peut affaiblir la force du signal ou introduire du bruit.

La simulation acoustique utilisant des techniques de simulation de traçage de rayons acoustiques révèle la trajectoire réelle des faisceaux à l'intérieur des pipelines. Certaines configurations géométriques produisent des « zones d'ombre acoustique », entraînant des signaux reçus extrêmement faibles ; d'autres configurations, bien qu'ayant des signaux forts, ont des effets de trajets multiples provoquant une distorsion de la forme d'onde. Grâce à une analyse comparative, les ingénieurs peuvent sélectionner le schéma d'agencement avec un rapport signal-sur-bruit optimal.

Assurance des performances sous les contraintes d’installation

Les spécifications standard exigent généralement 20 diamètres de conduites droites en amont, mais les conditions sur le terrain ne peuvent souvent pas répondre à cette exigence. Les coûts de modification d’un pipeline peuvent atteindre des centaines de milliers de dollars.

La simulation fournit une évaluation de faisabilité pour une "installation non-standard". En calculant le degré de récupération du champ d'écoulement sous différentes longueurs de section de tuyau droit, combiné à une compensation de configuration à plusieurs-cheminstechnologieGrâce à la méthode d'intégration Gauss-Jacobi, une précision qualifiée peut être obtenue dans des espaces comportant seulement 6 à 8 diamètres de tuyaux. Cela nécessite une analyse personnalisée pour des projets spécifiques, plutôt que de simplement appliquer des spécifications, tout en garantissant la validation de la conformité ISO 17089.

Applicabilité aux médias spéciaux

Les conditions de fonctionnement telles que les liquides à haute-viscosité, les boues contenant des particules solides et les gaz à haute-température et haute-pression ont des caractéristiques d'écoulement qui diffèrent considérablement de celles des fluides conventionnels. Une installation irréfléchie peut entraîner des dommages à l'équipement ou une défaillance des mesures.

La simulation permet de tester des conditions extrêmes dans des environnements virtuels. Par exemple, calculer si la force d'impact d'un flux de gaz à haute vitesse-sur la sonde provoquera une résonance structurelle grâce à la prédiction de la fréquence de déversement des vortex ; ou analyser si la fréquence d'impact des particules accélérera l'usure du capteur. Ces informations guident la sélection des matériaux et la conception du renforcement structurel.

Limites de l'application technique

La simulation n’est pas toute-puissante. Sa précision dépend :

• Si le modèle mathématique couvre des processus physiques réels
• Si les paramètres des conditions aux limites sont conformes aux situations réelles
• Si les ressources informatiques sont suffisantes pour une solution raffinée

Pour des phénomènes d’écoulement complètement nouveaux ou des conditions de fonctionnement extrêmes, les résultats de simulation nécessitent une validation des données expérimentales. Néanmoins, la simulation peut encore réduire considérablement la portée expérimentale, se concentrer sur des paramètres clés et améliorer considérablement l’efficacité de la recherche et du développement.

Figure 3.1 : Débitmètre à ultrasons de type à insertion-

La figure 3.1 montre un débitmètre à ultrasons de type à insertion- couramment utilisé. Son principe de fonctionnement consiste à installer une paire de capteurs à ultrasons des deux côtés du pipeline et à obtenir une mesure précise du débit en détectant et en calculant la différence entre les vitesses des impulsions ultrasoniques dans les flux en aval et en amont. Pendant le processus de mesure, les capteurs transmettent et reçoivent alternativement des signaux ultrasonores dans des directions opposées. Les signaux ultrasonores se propagent plus rapidement en écoulement aval qu'en écoulement amont ; lorsque le fluide est stationnaire, la différence de temps est nulle. Par conséquent, en mesurant le temps de propagation des ondes ultrasonores dans les flux aval et amont, la différence de temps t peut être obtenue. Selon la relation entre t et la vitesse d'écoulement V, la vitesse d'écoulement moyenne du fluide peut être mesurée indirectement et le débit volumétrique Q peut être calculé en fonction de la section transversale du pipeline.

La conception du canal de fluide doit prendre en compte la vitesse d'écoulement du fluide et la plage de débit, tandis que la conception du pipeline doit se concentrer davantage sur la plage de vitesse d'écoulement du fluide pour garantir la précision de la mesure du débit. Une vitesse d’écoulement de fluide excessivement élevée ou faible affectera en fin de compte les caractéristiques de propagation des signaux ultrasoniques.

Les dimensions du pipeline, à savoir le diamètre intérieur du pipeline, doivent correspondre au diamètre intérieur du pipeline mesuré afin de réduire les perturbations de l'écoulement du fluide et ainsi éviter d'affecter les résultats de mesure finaux. La structure de support de la structure du pipeline doit sélectionner des matériaux résistants à la corrosion-résistants à l'usure-pour prolonger la durée de vie ; dans le même temps, une conception raisonnable est nécessaire pour garantir sa stabilité sous une vitesse d’écoulement ou une pression élevée. Le transducteur ultrasonique doit sélectionner un type de transducteur ultrasonique approprié (tel qu'un type d'onde guidée ou un type de réflexion) en fonction des exigences de l'application, puis sélectionner une position appropriée pour installer le transducteur ultrasonique afin de garantir que le signal ultrasonique puisse traverser efficacement l'ensemble du pipeline.
En plus des facteurs ci-dessus, les recherches menées par Tang Xiaoyu[103] et d'autres chercheurs de l'Université du Zhejiang incluent également : dans des conditions de courbure à 90 degrés et à 180 degrés, l'influence d'une distribution non idéale de la vitesse d'écoulement sur chaque trajet acoustique du débitmètre à ultrasons, en particulier l'impact sur la mesure de la vitesse d'écoulement et la précision du débitmètre. Zhang Zhijun et Zhu Yingsheng[102] et d'autres chercheurs, sur la base de recherches antérieures, ont utilisé la technologie de simulation CFD pour effectuer une analyse de simulation sur 7 angles (à intervalles de 5 degrés) entre 30 degrés et 60 degrés pour les angles d'installation des transducteurs ultrasoniques. Les résultats montrent que : différents angles d'installation affectent la distribution de la vitesse d'écoulement dans la partie rainure du trajet acoustique. Dans le même temps, l'erreur relative entre la vitesse d'écoulement simulée et la vitesse d'écoulement idéale a été analysée, et il a été déterminé que l'angle d'installation optimal du transducteur pour le débitmètre à ultrasons à gaz de diamètre DN80 conçu est de 50 degrés.

Recherche sur la simulation de pipelines de mesure de débit par ultrasons de type à insertion-

La recherche en simulation considère trois aspects :

Simulation de dynamique des fluides, simulation de propagation ultrasonique et simulation de mécanique des structures. À l'aide de modèles CFD (Computational Fluid Dynamics), l'écoulement du fluide à l'intérieur du pipeline peut être simulé, puis les effets de facteurs tels que la distribution de la vitesse d'écoulement et l'écoulement vortex sur la propagation du signal ultrasonore peuvent être analysés. Pendant le processus de simulation, les éventuels tourbillons, bulles, etc. dans le fluide doivent être vérifiés pour éviter autant que possible toute interférence avec la mesure ultrasonique.
En prenant comme exemple l'influence des différents angles d'installation du transducteur sur la distribution de la vitesse d'écoulement, si la longueur totale du corps du débitmètre de pipeline est de L=230 mm et le diamètre est de D=80 mm. Réglez l'angle d'installation du transducteur entre 30 et 60 degrés et établissez un modèle de simulation à des intervalles de 5 degrés. Différents angles d'installation sont illustrés à la figure 3.2. Pour réduire la consommation de mémoire de l'ordinateur et la charge de calcul lorsque le logiciel ANSYS effectue une simulation, le modèle CFD du débitmètre à ultrasons de gaz peut être simplifié dans une certaine mesure, en considérant uniquement l'établissement du diamètre intérieur du boîtier du débitmètre et le modèle du transducteur, le reste étant temporairement ignoré.
Le modèle géométrique est divisé en trois parties : la canalisation avant, le débitmètre à ultrasons pour gaz et la canalisation arrière. Parmi eux, les canalisations avant et arrière adoptent un maillage structuré, le débitmètre ultrasonique de gaz intermédiaire adopte un maillage tétraédrique et une connexion de surface d'interface est utilisée aux points de connexion, avec un raffinement du maillage au niveau des surfaces de connexion. Les canalisations droites de sortie et d'entrée adoptent un maillage structuré sous forme de maillage hexaédrique, avec une taille de maillage maximale fixée à 2, un espacement 1 (espacement des mailles de la première couche limite) de 1,5, un rapport 1 (taux de croissance du maillage de la première couche limite) de 2, un espacement 2 (espacement des mailles de la deuxième couche limite) de 1,5 et un rapport 2 (taux de croissance des mailles de la deuxième couche limite) de 2. La taille maximale des mailles de la section du corps du débitmètre à ultrasons à gaz est de 5 ; un raffinement local est appliqué au maillage du transducteur avec une taille de maillage maximale de 1,5 ; un raffinement local est appliqué au maillage d’interface, en gardant la taille du maillage à 2.

Figure 3.2 Diagramme schématique des transducteurs à différents angles d'installation

Tableau des résultats de l’optimisation de l’angle du transducteur

Sélection et configuration du logiciel de simulation CFD

ANSYS Fluent et COMSOL :Quel est le meilleur pour la simulation de débitmètre à ultrasons ?
Comparaison des modèles de turbulence :k-ε vs k-ω SST vs RSM pour le nombre de Reynolds 10⁴-10⁷
Critères de qualité du maillage :y+ < 1, rapport hauteur/largeur < 100, asymétrie < 0,85

Figure 3.3 : Modèle de modélisation

En raison du gradient de vitesse important près de la surface du mur, le raffinement du maillage de la couche limite est adopté, en utilisant la loi de croissance exponentielle, avec une hauteur initiale (hauteur initiale) définie sur 0,1, un rapport de hauteur (rapport de chaque couche limite) de 1,2, un nombre de couches (nombre de couches limites) de 3 et une hauteur totale (hauteur totale des couches limites) de 0,7. Le nombre total de mailles final est d'environ 1,5 million. En prenant comme exemple l'angle d'installation du transducteur à quatre trajets DN80 -de 50 degrés, le résultat de la division des mailles est présenté dans la figure 3.3.

Figure 3.4 : Cartes de contour de vitesse à une vitesse d'écoulement d'entrée de 10 m/s, angles d'installation de 50 degrés et 30 degrés

Pour mieux comprendre la distribution du fluide à l'intérieur du pipeline à différents angles d'installation, en prenant comme exemples les deux cas d'angles d'installation de 30 degrés et 50 degrés, lorsque la vitesse d'écoulement d'entrée est de 10 m/s, les cartes de contour de vitesse des chemins un et trois sont présentées dans la Figure 3.4.

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