شبیه‌سازی CFD عملکرد فلومتر اولتراسونیک زمان‌گذر با سنسور پیزوالکتریک PZT-5J برای نفت خام سبک، سنگین و متوسط

شریفی, بهمن; هاشم‌آبادی, سیدحسن

شبیه‌سازی CFD عملکرد فلومتر اولتراسونیک زمان‌گذر با سنسور پیزوالکتریک PZT-5J برای نفت خام سبک، سنگین و متوسط

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

بهمن شریفی

سیدحسن هاشم‌آبادی

گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر، شبیه‌سازی CFD عملکرد فلومتر اولتراسونیک زمان‌گذر با سنسور پیزوالکتریک PZT-5J برای نفت خام سبک، سنگین و متوسط با استفاده از معادله موج در مسیر انتشار موج آکوستیک و روش حل المان محدود در شرایط ناپایا مدل‌سازی و با نرم‌افزار COMSOL Multiphysics 5.3 انجام شد. نمونه‌های مختلف نفت خام سبک، سنگین و متوسط در دماهای متفاوت تحت فشار ثابت با استفاده از ابزارهای CFD مدل‌سازی و شبیه‌سازی شدند. ماکزیمم ولتاژ دریافتی و سرعت صوت در نمونه‌ها توسط مدل ارایه‌‌شده محاسبه شد. برای ارزیابی دقت مدل ارایه‌شده، نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از کار تجربی پژوهشگران، مورد مقایسه قرار گرفت. میانگین ماکزیمم ولتاژ سیگنال‌های دریافتی برای فلومتر اولتراسونیک حاوی نمونه‌های نفت خام سبک، سنگین و متوسط به‌ترتیب برابر با 9491/0، 0115/1 و 9743/0ولت هستند. اختلاف بین نتایج حاصل از شبیه‌سازی و داده‌های تجربی برای سرعت صوت در نمونه‌های نفت خام سبک، سنگین و متوسط حداکثر حدود 2336/0%، 4339/0% و 1378/0% بود. بنابراین می‌توان با استفاده از مدل ارایه‌شده، هزینه‌های سنگین طراحی و بهینه‌سازی کنتور اولتراسونیک زمان‌گذر را برای نفت خام کاهش داد.

کلیدواژه‌ها

فلومتر اولتراسونیک زمان‌گذر

سنسور پیزوالکتریک PZT-5J

نمونه نفت خام

شبیه‌سازی CFD

سرعت صوت

20.1001.1.10275940.1398.19.6.20.4

موضوعات

مکاترونیک

عنوان مقاله English

CFD Simulation of Transit-time Ultrasonic Flowmeter with PZT-5J Piezoelectric Sensor for Light, Heavy, and Medium Crude Oil

نویسندگان English

B. Sharifi

S.H. Hashemabadi

Chemical Engineering Department, Engineering Faculty, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran

چکیده English

In the present study, CFD simulation of Transit-time ultrasonic flowmeter with the PZT-5J piezoelectric sensor was modeled for light, heavy, and medium crude oil by the wave equation in the acoustic wave propagation path and finite element solving method in the unsteady state and it was implemented, using COMSOL Multiphysics 5.3 software. Different samples of light, heavy, and medium crude oil at different temperatures were modeled and simulated under constant pressure, using CFD tools. voltage and speed of sound in were calculated by the proposed model. To evaluate the accuracy of the proposed model, the simulation results were compared with the empirical data obtained from the experimental work of the researchers. The average values of the maximum voltage of signals for an ultrasonic containing light, heavy, and medium light crude oil samples are 0.9491, 1.0115, and 0.943 v, respectively. The difference between the simulation results and the experimental data for the speed of sound in the light, heavy, and medium crude oil samples was at most about 0.2336%, 0.4339%, and 0.1378%, respectively. Therefore, the high costs of designing and optimizing the transit-time ultrasonic flowmeter for crude oil can be reduced, using the proposed model.

کلیدواژه‌ها English

Transit-time ultrasonic flowmeter

PZT-5J piezoelectric sensor

Crude oil sample

CFD Simulation

Speed of sound

Hojjat Y, Ghane AR, Mirzamohamadi SH. Design, and fabrication of a transit time ultrasonic flow meter. Modares Mechanical Engineering. 2013;13(5):153-156. [Persian] [Link]

Orvatinia M, Gharibi A. Design and fabrication of a four-path ultrasonic flowmeter using the time-difference method. Journal of Control. 2017;11(2):55-62. [Persian] [Link]

Nygren MW. Finite element modeling of piezoelectric ultrasonic transducers [Dissertation]. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology; 2011. [Link]

Zheng D, Zhang P, Xu T. Study of acoustic transducer protrusion and recess effects on ultrasonic flowmeter measurement by numerical simulation. Flow Measurement and Instrumentation. 2011;22(5):488-493. [Link] [DOI:10.1016/j.flowmeasinst.2011.08.003]

Iooss B, Lhuillier C, Jeanneau H. Numerical simulation of transit-time ultrasonic flowmeters: Uncertainties due to flow profile and fluid turbulence. Ultrasonics. 2002;40(9):1009-1015. [Link] [DOI:10.1016/S0041-624X(02)00387-6]

Gonen T. Electrical power transmission system engineering: Analysis and design. 3rd Edition. Boca Raton: CRC press; 2015. [Link] [DOI:10.1201/b17055]

Mahadeva DV, Baker RC, Woodhouse J. Further studies of the accuracy of clamp-on transit-time ultrasonic flowmeters for liquids. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2009;58(5):1602-1609. [Link] [DOI:10.1109/TIM.2009.2012954]

Tabin J. Ultrasonic metering of flow velocity based on transit time differentials. Journal of Physics E Scientific Instruments. 1987;20(5):559-561. [Link] [DOI:10.1088/0022-3735/20/5/020]

Sanderson ML, Yeung H. Guidelines for the use of ultrasonic non-invasive metering techniques. Flow Measurement and Instrumentation. 2002;13(4):125-142. [Link] [DOI:10.1016/S0955-5986(02)00043-2]

Song G, Sethi V, Li HN. Vibration control of civil structures using piezoceramic smart materials: A review. Engineering Structures. 2006;28(11):1513-1524. [Link] [DOI:10.1016/j.engstruct.2006.02.002]

Uchino K. Introduction to piezoelectric actuators and transducers [Internet]. Unknown:Unknown Publisher?; 2003 [cited 10 Jan 2018]. Available from: http://yon.ir/KslXK [Link]

Pierce AD, Beyer RT. Acoustics: An introduction to its physical principles and applications. 1989 Edition. The Journal of the Acoustical Society of America. 1990;87(4):1826-1827. [Link] [DOI:10.1121/1.399390]

Bonet J, Wood RD. Nonlinear continuum mechanics for finite element analysis. 1st Edition. Cambridge: Cambridge University Press; 1997. 16- George AK, Singh RN, Arafin S. Equation of state of crude oil samples. Journal of Petroleum and Environmental Biotechnology. 2013;4(6):1000162. [Link]

Mezheritsky AV. Elastic, dielectric, and piezoelectric losses in piezoceramics: How it works all together. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control. 2004;51(6):695-707.
https://doi.org/10.1109/TUFFC.2004.1308728 [Link] [DOI:10.1109/TUFFC.2004.1304268]

Hou Z, Wu F, Liu Y. Phononic crystals containing piezoelectric material. Solid State Communications. 2004;130(11):745-749. [Link] [DOI:10.1016/j.ssc.2004.03.052]

George AK, Singh RN, Arafin S. Equation of state of crude oil samples. Journal of Petroleum and Environmental Biotechnology. 2013;4(6):1000162 [Link]