SeeReynoldsi arv (Re)on üks olulisemaid dimensioonita parameetreid vedelike mehaanikas. See aitab kirjeldada seostinertsiaalsed jõud ja viskoossed jõudvoolavas vedelikus ja seda kasutatakse tavaliselt voolu toimumise kindlakstegemisekslaminaarne, üleminekuline või turbulentne.

Ultraheli voolu mõõtmisel on Reynoldsi arv oluline, kuna voolurežiim mõjutab otseseltkiirusprofiil toru seesKuna ultraheli voolumõõtur mõõdab vedeliku kiirust akustilisel teel ja kasutab seda teavet keskmise voolukiiruse määramiseks, võivad kiirusprofiili muutused mõjutada mõõtmise täpsust.

1. Mis on Reynoldsi arv?

Toru sees voolamise korral saab Reynoldsi arvu väljendada järgmiselt:

Re = ρVD / μ

või:

Re = VD / ν

kus:

• Re= Reynoldsi arv
• ρ= vedeliku tihedus
• V= keskmine voolukiirus
• D= toru siseläbimõõt
• μ= dünaamiline viskoossus
• ν= kinemaatiline viskoossus

Reynoldsi arv on mõõtmeteta.

Üldiselt, vooluhulga korral ümmarguses torus:

• Re < ligikaudu 2300→ Laminaarne vool
• Re ≈ 2300–4000→ Üleminekuvoog
• Umbes > umbes 4000→ Turbulentne vool

Need väärtused on pigem üldised juhised kui absoluutsed piirid, sest tegelikud voolutingimused võivad toru geomeetriast ja häiringutest olenevalt erineda.

2. Mis vahe on laminaarsel ja turbulentsel voolul?

Peamine erinevus seisneb kiiruse jaotumises üle toru.

Laminaarne vool

Laminaarses voolus liigub vedelik suhteliselt korrapäraselt paiknevates kihtides.

Kiirusprofiil on tavaliselt selgemini väljendunud, kusjuures:

• Väiksem kiirus toru seina lähedal
• Suurem kiirus keskpunkti suunas
• Suhteliselt prognoositav paraboolne kiirusprofiil

Lihtsustatud esitus on:

Sein → Madal kiirus → Suur kiirus → Madal kiirus → Sein

Turbulentne vool

Turbulentses voolus on vedeliku liikumine palju ebakorrapärasem.

Väikesemahulised kõikumised ja segunemine põhjustavad kiirusprofiili lamedamaks muutumist võrreldes laminaarse vooluga.

See tähendab, et kiiruse jaotus torus muutub oluliselt koos Reynoldsi arvuga.

3. Miks see on ultraheli voolumõõturi puhul oluline?

Ultraheli voolumõõtur ei mõõda otseselt torust läbiva vedeliku kogumahtu.

Selle asemel mõõdab seevedeliku kiirusja seejärel arvutab mahulise voolukiiruse.

Lihtsustatud kujul:

Q = V × A

kus:

• Q= mahuline voolukiirus
• V= keskmine voolukiirus
• A= toru ristlõikepindala

Probleem seisneb selles, et ultraheli akustilisel teel mõõdetud kiirus ei pruugi olla täpselt võrdne kogu toru keskmise kiirusega.

Seega peab instrument arvestama mõõdetud akustilise kiiruse ja tegeliku keskmise voolukiiruse vahelist seost.

Seda suhet mõjutab tugevalt kiirusprofiil.

4. Kuidas Reynoldsi arv muudab kiirusprofiili?

Vaatleme kahte juhtumit.

Madal Reynoldsi arv

Madala Re korral võib vool olla laminaarne.

Kiirusprofiil on tugevalt kõver:

Keskkiirus > Keskmine kiirus > Seinalähedane kiirus

Kui ultraheli akustiline rada läbib toru teatud piirkonda, võib mõõdetud kiirus oluliselt erineda ristlõike keskmisest kiirusest.

Kõrge Reynoldsi arv

Kõrgema Re korral muutub vool turbulentseks.

Segamine kipub tekitama lamedama kiirusprofiili, kuigi kiirus toru seina suunas ikkagi väheneb.

Seega võib akustilise tee kiirusel olla erinev seos toru keskmise kiirusega.

See on üks põhjus, miks ultraheli voolumõõtur ei saa lihtsalt eeldada, et üks mõõdetud kiiruse väärtus vastab alati samale keskmisele voolukiirusele.

5. Reynoldsi arvu ja läbimisaja ultraheli voolumõõturid

Ultraheli voolumõõturi puhul, mis mõõdab läbimisaega, mõõdetakse ülesvoolu ja allavoolu ultraheli läbimisaegade erinevust.

Põhisuhet saab lihtsustatult kirjeldada järgmiselt:

Voolukiirus ∝ läbimisaja erinevus

Mõõdetud kiirus on seotud kiiruskomponendiga piki ultraheli akustilist rada.

Tegelik mahuline voolukiirus sõltub agakeskmine kiirus kogu toru ristlõikes.

Seetõttu peab instrument seostama mõõdetud akustilise kiiruse keskmise voolukiirusega.

Seda suhet võivad mõjutada:

• Reynoldsi arv
• Akustilise tee asukoht
• Akustiliste radade arv
• Vooluprofiil
• Toru läbimõõt
• Vooluhäired

6. Miks on efekt madala voolukiiruse korral olulisem?

Alates:

Re = ρVD / μ

Kui voolukiirus väheneb, väheneb ka Reynoldsi arv.

Näiteks suure voolukiirusega töötaval süsteemil võib olla täielikult välja arenenud turbulentne vool, samas kui sama süsteem väga väikese voolukiirusega töötades võib läheneda ülemineku- või laminaarsele režiimile.

Seega võib kiirusprofiil voolukiiruse muutudes oluliselt muutuda.

See tähendab, et seos järgmiste vahel:

Akustilise tee kiirus

ja

Keskmine toru kiirus

võib samuti muutuda.

Mõnede ultraheli voolumõõturite puhul võib see olla oluline kaalutlus väga madalate voolukiiruste või väga viskoossete vedelike mõõtmisel.

7. Miks on vedeliku viskoossus oluline?

Reynoldsi arv on pöördvõrdeline viskoossusega:

Re = ρVD / μ

Kui viskoossus suureneb, siis Reynoldsi arv väheneb sama toru läbimõõdu, tiheduse ja voolukiiruse korral.

Näiteks vaatleme kahte vedelikku, mis voolavad samas torus sama kiirusega:

Vesi → Madal viskoossus → Kõrgem viskoossus

Raske õli → Kõrge viskoossus → Madalam Re

Raske õli kiirusprofiil võib selle kõrgema viskoossuse tõttu olla palju väljendunud.

Seetõttu võib sama ultraheli voolumõõtur erinevate vedelike mõõtmisel käituda erinevalt, isegi kui toru läbimõõt ja voolukiirus on sarnased.

8. Miks on sirge toru pikkus seotud Reynoldsi arvuga?

Reynoldsi arv aitab selgitada ka piisava sirge toru pikkuse olulisust.

Pärast küünarnuki, ventiili, reduktori või muu liitmiku paigaldamist võib vooluprofiil muutuda häirituks.

Stabiilsema profiili saavutamiseks vajab vool piisavalt kaugele minevat rada.

Arenguprotsess sõltub sellistest teguritest nagu:

• Reynoldsi arv
• Toru läbimõõt
• Toru karedus
• Häire tüüp
• Voolukiirus

Kui ultraheli voolumõõtur paigaldatakse ülesvoolu häiringule liiga lähedale, võib asümmeetriline või keerlev kiirusprofiil mõõdetud akustilist kiirust tugevalt mõjutada.

See võib kaasa tuua mõõtmisvigu.

Seetõttu võib ultraheli voolumõõturi tüüpiline paigaldusjuhend soovitada järgmist:

Ülesvoolu sirge toru ≥ 10D

Allavoolu sirge toru ≥ 5D

kusD on toru sisemine läbimõõt.

9. Kas suurem Reynoldsi arv tähendab alati paremat täpsust?

Mitte tingimata.

Suurem Reynoldsi arv näitab üldiselt turbulentsemat voolu, kuid mõõtmise täpsus sõltub paljudest muudest teguritest.

Nende hulka kuuluvad:

• Vooluprofiil
• Muunduri paigaldamine
• Toru seisukord
• Sirge toru pikkus
• Signaali kvaliteet
• Akustilise tee konfiguratsioon
• Vedeliku omadused
• Mõõdiku kalibreerimine

Seetõttu tuleks Reynoldsi arvu pidada oluliseks näitajaks.voolutingimuse parameeter, mitte voolumõõturi täpsuse otsene näitaja.

10. Miks on mitme marsruudiga ultraheli voolumõõturid vooluprofiili suhtes vähem tundlikud?

See on mitme rajaga ultraheli voolu mõõtmise üks olulisi eeliseid.

Üks akustiline rada mõõdab kiirust toru piiratud alal.

Mitmetee voolumõõtur kasutab mitut akustilist rada erinevates positsioonides.

Kontseptuaalselt:

Üksik tee

→ Mõõdab kiirust mööda ühte akustilist rada

Mitme tee

→ Proovid võetakse toru mitmest piirkonnast

Instrument saab neid mõõtmisi kasutada üldise kiiruse jaotuse paremaks kujutamiseks.

Seetõttu eelistatakse mitme teega ultraheli voolumõõtureid sageli rakendustes, kus:

• Vooluprofiil on keeruline
• Vajalik on suur täpsus
• Toru läbimõõt on suur
• Vooluhäireid on raske vältida

Reynoldsi arv mõjutab ultraheli voolu mõõtmist, kuna see mõjutabvoolurežiim ja kiirusprofiil toru sees.

Põhiline suhe on:

Re = ρVD / μ

Reynoldsi arvu muutudes võib vool muutuda laminaarse, ülemineku- ja turbulentse režiimi vahel. See muudab kiiruse jaotust torus ja mõjutab seega ultraheli akustilisel teel mõõdetud kiiruse ja tegeliku keskmise voolukiiruse vahelist suhet.

Praktiliseks ultraheli voolu mõõtmiseks tuleks Reynoldsi arvu arvesse võtta koos järgmisega:

Voolukiirus + vedeliku viskoossus + toru läbimõõt + vooluprofiil + sirge toru pikkus + akustilise tee konfiguratsioon

Reynoldsi arvu mõistmine aitab inseneridel paremini hinnatavoolutingimused, andurite paigaldus, mõõtemääramatus ja ultraheli voolumõõturi sobivus konkreetse rakenduse jaoks.