A Hybrid Numerical Method for 3D Multiphysics Modeling of Ultrasonic Transit-Time Flowmeters : Including Sound Propagation in Real Pipe Flows

Abstract

Ultralyd mengdemålere av typen Ultrasonic Transit-Time Flowmeters (UTTF) og deres modellering er hovedfokus i denne avhandlingen. UTTF kan kategoriseres i clamp-on og inline-målere avhengig av behovene til applikasjoner for mengdemåling. Simuleringer, studier og eksperimentell verifisering av inline-målere med høye krav til nøyaktighet utføres i dette arbeidet. Det er demonstrert at ved bruk av simuleringer er det mulig å akselerere innovasjon, samt å kontinuerlig forbedre målenøyaktighet og teknologi for det raskt voksende markedet for UTTF. I denne avhandlingen foreslås en multifysikk, hybrid numerisk metode, dvs. en kombinasjon av en Finite Element Method (FEM) og en Finite Volume Method (FVM), for 3D-simuleringer og undersøkelse av fysiske fenomener som påvirker oppførselen til UTTF. Den utviklede metoden, ’Simulations of Piezoelectricity, Acoustics, Coupled with CFD’ (SimPAC2), brukes som et designverktøy for UTTF, samt for å forbedre forståelsen av virkemåten av UTTF. For simuleringen er UTTF delt inn i to deler, og den respektive, mer passende metoden brukes for hver del. Konkret brukes FEM for simulering av piezoelektrisitet og strukturell akustikk i de faste delene, dvs. transduserne og om ønskelig, delvis i målerøret. FEM brukes også til simulering av bølgeutbredelse i deler av mediet. Akustikk og simulasjoner ved Computational Fluid Dynamics (CFD) vurderes i mediet, samt deres interaksjon med hverandre ved bruk av FVM, som tradisjonelt er mer passende for CFD og store simuleringer som trenger sterk parallellisering. Den hybride SimPAC2-metoden krever komplekse grensesnitt mellom FEM- og FVM-metoden, som er utviklet i løpet av denne oppgaven. En sammenligning av SimPAC2-resultater med simuleringer basert på kun CFD og FEM, samt sjekket mot fysisk utførte målinger. En kjedeverifisering utføres, med utgangspunkt i en simulering av en enkel geometri av piezoelektriske elementer i luft uten strømning og i jevn strømning. Kompleksiteten økes med simuleringen av en diametral en-stråle mengdemåler utstyrt med enten piezo-elektriske elementer eller ekte transdusere. Til slutt ble en industriell mengdemåler med to kordale strålebaner simulert og verifisert i en kalibreringsrigg. Resultatene stemte overens innen fastsatte kriterier. Simuleringene gjorde det mulig å systematisk studere og kvantifisere komplekse, forventede effekter i UTTF, for eksempel 3D-hulromseffekter for flush monterte, tilbaketrekkende eller utstikkende transdusere. De utførte 3D-multifysikksimuleringene fanger opp interaksjoner mellom ultralydbølger og strømning i 3D-geometrien som per definisjon ikke kan fanges opp av 2D-simuleringer. Før SimPAC2 var det dyrt eller umulig å utføre systematiske 3D-multifysikksimuleringer. Dermed oppnås simulering av en full 3D-geometri av en UTTF fra inngangsspenning på senderen til utgangsspenning på mottakeren. Det er demonstrert at SimPAC2 kan brukes videre som et verktøy for design og optimalisering av UTTF, reduksjon av utviklingssyklusen og forbedring av nøyaktighet og linearitet.

Ultrasonic Transit-Time Flowmeters (UTTF) and their modeling are on the main focus in this dissertation. UTTF can be categorized into clamp-on and inline devices depending on the needs of applications for flow measurement. Simulations, studies, and experimental verification of inline gas devices with high demands of accuracy are performed in the present work. It is demonstrated that with the use of simulations, it is conceivable to accelerate innovation, as well as to continuously improve measurement accuracy and technology for the fast-growing market of UTTF. In the present thesis, a multiphysics, hybrid numerical method is proposed i.e., a combination of a Finite Element Method (FEM) and a Finite Volume Method (FVM), for the purpose of 3D simulations and investigation of physical phenomena that affect the behavior of UTTF. The developed method, ’Simulations of Piezoelectricity, Acoustics, Coupled with CFD’ (SimPAC2), is used as a design tool of UTTF, as well as for the improvement of understanding the operation of UTTF. For the simulation, the UTTF is split into parts and the respective, more appropriate method is used for each part. More specifically, FEM is utilized for the simulation of piezoelectricity and structural acoustics in the solid parts i.e., the transducers and, if desired, partially the meter-body of the flowmeter. FEM is also used for the simulation of wave propagation in a part of the moving fluid medium. Acoustics and computational fluid dynamics (CFD) are considered in the moving fluid medium, as well as their interaction with each other with the use of FVM, which is traditionally more appropriate for CFD and large simulations that need to be highly parallelized. The hybrid SimPAC2 method requires complex interfaces between the FEM and FVM method, which are created in the course of the present work. A comparison of SimPAC2 results with pure CFD, FEM and measurements is carried out. A chain verification takes place, starting from a simulation of a simple geometry of piezoelectric elements in air in zero and uniform flow. Complexity is added with the simulation of a diametrical single-path flowmeter equipped with either piezoelectric elements or real transducers. Finally, a real industrial flowmeter with two chordal paths is simulated and measured in a flow rig, with the agreement of the results satisfying the set criteria. The simulations allowed for the systematic study and quantification of complex, much-anticipated effects in UTTF, such as 3D cavity effects, the position of flush, recessed, and protruded transducers, as well as the flow effect around the transducers and in the meter-body. The performed 3D multiphysics simulations capture interactions between ultrasonic waves and flow in the 3D geometry that are, by definition, not possible to be captured by 2D simulations. Before SimPAC2, the performance of systematic 3D multiphysics simulations was computationally expensive or impossible to perform. Thus, the simulation of a full 3D geometry of an UTTF is achieved from input voltage on the transmitter to output voltage on the receiver. It is demonstrated that SimPAC2 can be further used as a tool for the design and optimization of UTTF, the reduction of the development cycle and the improvement of accuracy and linearity.