TheReynoldsovo število (Re)je eden najpomembnejših brezdimenzijskim parametrov v mehaniki tekočin. Pomaga opisati razmerje medinercijske sile in viskozne silev tekoči tekočini in se pogosto uporablja za ugotavljanje, ali je pretoklaminarni, prehodni ali turbulentni.

Za ultrazvočno merjenje pretoka je Reynoldsovo število pomembno, ker režim pretoka neposredno vpliva naprofil hitrosti znotraj ceviKer ultrazvočni merilnik pretoka meri hitrost tekočine vzdolž akustične poti in te informacije uporablja za določitev povprečne hitrosti pretoka, lahko spremembe v profilu hitrosti vplivajo na natančnost meritve.

1. Kaj je Reynoldsovo število?

Za pretok znotraj cevi lahko Reynoldsovo število izrazimo kot:

Re = ρVD / μ

ali:

Re = VD / ν

kjer:

• Re= Reynoldsovo število
• ρ= gostota tekočine
• V= povprečna hitrost pretoka
• D= notranji premer cevi
• μ= dinamična viskoznost
• ν= kinematična viskoznost

Reynoldsovo število je brezdimenzionalno.

Na splošno za pretok v krožni cevi:

• Re < približno 2.300→ Laminarni tok
• Re ≈ 2.300–4.000→ Prehodni tok
• Re > približno 4.000→ Turbulenten tok

Te vrednosti so splošne smernice in ne absolutne meje, saj se dejanski pogoji pretoka lahko razlikujejo glede na geometrijo cevi in ​​motnje.

2. Kakšna je razlika med laminarnim in turbulentnim tokom?

Glavna razlika je v načinu porazdelitve hitrosti po cevi.

Laminarni tok

Pri laminarnem toku se tekočina giblje v relativno urejenih plasteh.

Profil hitrosti je običajno bolj izrazit, z:

• Nižja hitrost blizu stene cevi
• Višja hitrost proti središču
• Relativno predvidljiv parabolični profil hitrosti

Poenostavljena predstavitev je:

Stena → Nizka hitrost → Visoka hitrost → Nizka hitrost → Stena

Turbulentni tok

Pri turbulentnem toku je gibanje tekočine veliko bolj nepravilno.

Zaradi majhnih nihanj in mešanja postane profil hitrosti bolj raven v primerjavi z laminarnim tokom.

To pomeni, da se porazdelitev hitrosti po cevi bistveno spreminja z Reynoldsovim številom.

3. Zakaj je to pomembno za ultrazvočni merilnik pretoka?

Ultrazvočni merilnik pretoka ne meri neposredno celotne prostornine tekočine, ki prehaja skozi cev.

Namesto tega merihitrost tekočinein nato izračuna volumetrični pretok.

V poenostavljeni obliki:

Q = V × A

kjer:

• Q= volumetrični pretok
• V= povprečna hitrost pretoka
• A= površina prečnega prereza cevi

Izziv je v tem, da hitrost, izmerjena vzdolž ultrazvočne akustične poti, morda ni popolnoma enaka povprečni hitrosti po celotni cevi.

Zato mora instrument upoštevati razmerje med izmerjeno akustično hitrostjo in dejansko povprečno hitrostjo pretoka.

Na to razmerje močno vpliva profil hitrosti.

4. Kako Reynoldsovo število spremeni profil hitrosti?

Razmislite o dveh primerih.

Nizko Reynoldsovo število

Pri nizkem Re je lahko tok laminaren.

Profil hitrosti je močno ukrivljen:

Središčna hitrost > Povprečna hitrost > Hitrost blizu stene

Če ultrazvočna akustična pot poteka skozi določeno območje cevi, se lahko izmerjena hitrost bistveno razlikuje od povprečne hitrosti prečnega prereza.

Visoko Reynoldsovo število

Pri višjem Re postane tok turbulenten.

Mešanje ponavadi ustvari bolj raven profil hitrosti, čeprav se hitrost še vedno zmanjšuje proti steni cevi.

Hitrost akustične poti ima zato lahko drugačen odnos s povprečno hitrostjo cevi.

To je eden od razlogov, zakaj ultrazvočni merilnik pretoka ne more preprosto predpostaviti, da ena izmerjena vrednost hitrosti vedno ustreza isti povprečni hitrosti pretoka.

5. Ultrazvočni merilniki pretoka z Reynoldsovim številom in časom prehoda

Pri ultrazvočnem merilniku pretoka s prehodnim časom instrument meri razliko med časom ultrazvočnega prehoda gorvodno in dolvodno.

Osnovno razmerje lahko poenostavimo kot:

Hitrost pretoka ∝ Razlika v času prehoda

Izmerjena hitrost je povezana s komponento hitrosti vzdolž ultrazvočne akustične poti.

Vendar pa je dejanski volumetrični pretok odvisen odpovprečna hitrost po celotnem prečnem prerezu cevi.

Zato mora instrument povezati izmerjeno akustično hitrost s povprečno hitrostjo pretoka.

Na ta odnos lahko vpliva:

• Reynoldsovo število
• Lokacija akustične poti
• Število akustičnih poti
• Profil pretoka
• Premer cevi
• Motnje pretoka

6. Zakaj je učinek pomembnejši pri nizkih pretokih?

Od:

Re = ρVD / μ

Ko se hitrost pretoka zmanjša, se zmanjša tudi Reynoldsovo število.

Na primer, sistem, ki deluje z visokim pretokom, ima lahko popolnoma razvit turbulentni tok, medtem ko se isti sistem, ki deluje z zelo nizkim pretokom, lahko približa prehodnemu ali laminarnemu režimu.

Profil hitrosti se zato lahko znatno spremeni, ko se spremeni pretok.

To pomeni, da je razmerje med:

Hitrost akustične poti

in

Povprečna hitrost cevi

se lahko tudi spremeni.

Pri nekaterih ultrazvočnih merilnikih pretoka je to lahko pomemben dejavnik pri merjenju zelo nizkih pretokov ali zelo viskoznih tekočin.

7. Zakaj je viskoznost tekočine pomembna?

Reynoldsovo število je obratno sorazmerno z viskoznostjo:

Re = ρVD / μ

Če se viskoznost poveča, se Reynoldsovo število zmanjša za enak premer cevi, gostoto in hitrost pretoka.

Na primer, vzemimo dve tekočini, ki tečeta z enako hitrostjo skozi isto cev:

Voda → Nizka viskoznost → Višja viskoznost

Težko olje → Visoka viskoznost → Nižji Re

Težka nafta ima lahko zaradi večje viskoznosti veliko bolj izrazit hitrostni profil.

Zato se lahko isti ultrazvočni merilnik pretoka pri merjenju različnih tekočin obnaša različno, tudi če sta premer cevi in ​​hitrost pretoka podobna.

8. Zakaj je dolžina ravne cevi povezana z Reynoldsovim številom?

Reynoldsovo število pomaga tudi razložiti, zakaj je pomembna zadostna dolžina ravne cevi.

Po namestitvi kolena, ventila, reduktorja ali drugega priključka se lahko profil pretoka poruši.

Tok potrebuje zadostno razdaljo, da se razvije v stabilnejši profil.

Razvojni proces je odvisen od dejavnikov, vključno z:

• Reynoldsovo število
• Premer cevi
• Hrapavost cevi
• Vrsta motnje
• Hitrost pretoka

Če je ultrazvočni merilnik pretoka nameščen preblizu motnje v zgornjem toku, lahko na izmerjeno akustično hitrost močno vpliva asimetričen ali vrtinčast profil hitrosti.

To lahko povzroči napake pri meritvah.

Zato lahko tipična navodila za namestitev ultrazvočnega merilnika pretoka priporočajo:

Ravna cev navzgor ≥ 10D

Ravna cev navzdol ≥ 5D

kjeD je notranji premer cevi.

9. Ali višje Reynoldsovo število vedno pomeni boljšo natančnost?

Ni nujno.

Višje Reynoldsovo število običajno kaže na bolj turbulenten tok, vendar je natančnost meritve odvisna od številnih drugih dejavnikov.

To vključuje:

• Profil pretoka
• Namestitev pretvornika
• Stanje cevi
• Dolžina ravne cevi
• Kakovost signala
• Konfiguracija akustične poti
• Lastnosti tekočin
• Kalibracija merilnika

Zato je treba Reynoldsovo število obravnavati kot pomembenparameter pretočnega stanja, namesto neposrednega kazalnika natančnosti merilnika pretoka.

10. Zakaj so večpotni ultrazvočni merilniki pretoka manj občutljivi na profil pretoka?

To je ena od pomembnih prednosti večpotnega ultrazvočnega merjenja pretoka.

Ena sama akustična pot vzorči hitrost vzdolž omejenega območja cevi.

Večpotni merilnik pretoka uporablja več akustičnih poti na različnih položajih.

Konceptualno:

Ena pot

→ Meri hitrost vzdolž ene akustične poti

Večpotna

→ Vzorči več območij cevi

Instrument lahko s temi meritvami dobi boljšo predstavitev celotne porazdelitve hitrosti.

Zato so večpotni ultrazvočni merilniki pretoka pogosto prednostni za aplikacije, kjer:

• Profil toka je kompleksen
• Zahtevana je visoka natančnost
• Premer cevi je velik
• Motnjam pretoka se je težko izogniti

Reynoldsovo število vpliva na ultrazvočno merjenje pretoka, ker vpliva narežim pretoka in profil hitrosti znotraj cevi.

Osnovno razmerje je:

Re = ρVD / μ

Ko se Reynoldsovo število spreminja, lahko tok prehaja med laminarnim, prehodnim in turbulentnim režimom. To spremeni porazdelitev hitrosti po cevi in ​​s tem vpliva na razmerje med hitrostjo, izmerjeno vzdolž ultrazvočne akustične poti, in dejansko povprečno hitrostjo pretoka.

Za praktično ultrazvočno merjenje pretoka je treba Reynoldsovo število upoštevati skupaj z:

Hitrost pretoka + Viskoznost tekočine + Premer cevi + Profil pretoka + Dolžina ravne cevi + Konfiguracija akustične poti

Razumevanje Reynoldsovega števila pomaga inženirjem bolje ocenitipretočni pogoji, namestitev senzorja, merilna negotovost in primernost ultrazvočnega merilnika pretoka za določeno uporabo.