TheReinoldsa skaitlis (Re)ir viens no svarīgākajiem bezdimensiju parametriem šķidrumu mehānikā. Tas palīdz aprakstīt attiecības starpinerces spēki un viskozie spēkiplūstošā šķidrumā un to parasti izmanto, lai noteiktu, vai plūsma irlaminārs, pārejas vai turbulents.

Ultraskaņas plūsmas mērīšanai Reinoldsa skaitlis ir svarīgs, jo plūsmas režīms tieši ietekmēātruma profils caurules iekšpusēTā kā ultraskaņas plūsmas mērītājs mēra šķidruma ātrumu pa akustisko ceļu un izmanto šo informāciju, lai noteiktu vidējo plūsmas ātrumu, ātruma profila izmaiņas var ietekmēt mērījumu precizitāti.

1. Kāds ir Reinoldsa skaitlis?

Plūsmai caurulē Reinoldsa skaitli var izteikt šādi:

Re = ρVD / μ

vai:

Re = VD / ν

kur:

• Re= Reinoldsa skaitlis
• ρ= šķidruma blīvums
• V= vidējais plūsmas ātrums
• D= caurules iekšējais diametrs
• μ= dinamiskā viskozitāte
• ν= kinemātiskā viskozitāte

Reinoldsa skaitlis ir bezdimensiju.

Vispārīgi runājot, plūsmai apļveida caurulē:

• Re < aptuveni 2300→ Lamināra plūsma
• Re ≈ 2300–4000→ Pārejas plūsma
• Re > aptuveni 4000→ Turbulenta plūsma

Šīs vērtības ir vispārīgas vadlīnijas, nevis absolūtas robežas, jo faktiskie plūsmas apstākļi var atšķirties atkarībā no caurules ģeometrijas un traucējumiem.

2. Kāda ir atšķirība starp lamināro un turbulento plūsmu?

Galvenā atšķirība ir ātruma sadalījuma veids caurulē.

Laminārā plūsma

Laminārā plūsmā šķidrums pārvietojas relatīvi sakārtotos slāņos.

Ātruma profils parasti ir izteiktāks ar:

• Mazāks ātrums caurules sienas tuvumā
• Lielāks ātrums virzienā uz centru
• Relatīvi paredzams paraboliskais ātruma profils

Vienkāršots attēlojums ir šāds:

Siena → Zems ātrums → Liels ātrums → Zems ātrums → Siena

Turbulentā plūsma

Turbulentā plūsmā šķidruma kustība ir daudz nevienmērīgāka.

Nelielas svārstības un sajaukšanās izraisa ātruma profila plakanāku veidošanos salīdzinājumā ar lamināro plūsmu.

Tas nozīmē, ka ātruma sadalījums caurulē būtiski mainās līdz ar Reinoldsa skaitli.

3. Kāpēc tas ir svarīgi ultraskaņas plūsmas mērītājam?

Ultraskaņas plūsmas mērītājs tieši nemēra caur cauruli plūstošā šķidruma kopējo tilpumu.

Tā vietā tas mērašķidruma ātrumsun pēc tam aprēķina tilpuma plūsmas ātrumu.

Vienkāršotā formā:

Q = V × A

kur:

• Q= tilpuma plūsmas ātrums
• V= vidējais plūsmas ātrums
• A= caurules šķērsgriezuma laukums

Problēma ir tā, ka ātrums, kas izmērīts pa ultraskaņas akustisko ceļu, var nebūt precīzi vienāds ar vidējo ātrumu visā caurulē.

Tāpēc instrumentam jāņem vērā attiecība starp izmērīto akustisko ātrumu un faktisko vidējo plūsmas ātrumu.

Šīs attiecības spēcīgi ietekmē ātruma profils.

4. Kā Reinoldsa skaitlis maina ātruma profilu?

Apsveriet divus gadījumus.

Zems Reinoldsa skaitlis

Pie zema Re plūsma var būt lamināra.

Ātruma profils ir stipri izliekts:

Centra ātrums > Vidējais ātrums > Ātrums pie sienas

Ja ultraskaņas akustiskais ceļš iet cauri noteiktam caurules apgabalam, izmērītais ātrums var ievērojami atšķirties no šķērsgriezuma vidējā ātruma.

Augsts Reinoldsa skaitlis

Pie augstākas Re vērtības plūsma kļūst turbulenta.

Sajaukšana parasti rada plakanāku ātruma profilu, lai gan ātrums joprojām samazinās caurules sienas virzienā.

Tāpēc akustiskā ceļa ātrumam var būt atšķirīga saistība ar vidējo caurules ātrumu.

Šis ir viens no iemesliem, kāpēc ultraskaņas plūsmas mērītājs nevar vienkārši pieņemt, ka viena izmērītā ātruma vērtība vienmēr atbilst vienam un tam pašam vidējam plūsmas ātrumam.

5. Reinoldsa skaitļa un tranzīta laika ultraskaņas plūsmas mērītāji

Ultraskaņas plūsmas mērītājam, kas mēra tranzīta laiku, instruments mēra starpību starp augšējo un lejpus esošo ultraskaņas tranzīta laikiem.

Pamata attiecības var vienkāršot šādi:

Plūsmas ātrums ∝ tranzīta laika starpība

Izmērītais ātrums ir saistīts ar ātruma komponentu gar ultraskaņas akustisko ceļu.

Tomēr faktiskais tilpuma plūsmas ātrums ir atkarīgs novidējais ātrums visā caurules šķērsgriezumā.

Tāpēc instrumentam ir jāsaista izmērītais akustiskais ātrums ar vidējo plūsmas ātrumu.

Šīs attiecības var ietekmēt:

• Reinoldsa skaitlis
• Akustiskā ceļa atrašanās vieta
• Akustisko ceļu skaits
• Plūsmas profils
• Caurules diametrs
• Plūsmas traucējumi

6. Kāpēc efekts ir nozīmīgāks pie zemiem plūsmas ātrumiem?

Kopš:

Re = ρVD / μ

Kad plūsmas ātrums samazinās, samazinās arī Reinoldsa skaitlis.

Piemēram, sistēmā, kas darbojas ar lielu plūsmas ātrumu, var būt pilnībā attīstījusies turbulentā plūsma, savukārt tā pati sistēma, kas darbojas ar ļoti mazu plūsmas ātrumu, var tuvoties pārejas vai laminārajam režīmam.

Tāpēc ātruma profils var ievērojami mainīties, mainoties plūsmas ātrumam.

Tas nozīmē, ka attiecības starp:

Akustiskā ceļa ātrums

un

Vidējais caurules ātrums

var arī mainīties.

Dažiem ultraskaņas plūsmas mērītājiem tas var kļūt par svarīgu apsvērumu, mērot ļoti mazu plūsmas ātrumu vai ļoti viskozus šķidrumus.

7. Kāpēc šķidruma viskozitātei ir nozīme?

Reinoldsa skaitlis ir apgriezti proporcionāls viskozitātei:

Re = ρVD / μ

Ja caurules viskozitāte palielinās, Reinoldsa skaitlis samazinās pie tāda paša diametra, blīvuma un plūsmas ātruma.

Piemēram, apsveriet divus šķidrumus, kas plūst ar vienādu ātrumu caur vienu un to pašu cauruli:

Ūdens → Zema viskozitāte → Augstāka viskozitāte

Smagā eļļa → Augsta viskozitāte → Zemāka Re

Smagajai eļļai var būt daudz izteiktāks ātruma profils tās augstākās viskozitātes dēļ.

Tāpēc viens un tas pats ultraskaņas plūsmas mērītājs var darboties atšķirīgi, mērot dažādus šķidrumus, pat ja caurules diametrs un plūsmas ātrums ir līdzīgi.

8. Kāpēc taisnas caurules garums ir saistīts ar Reinoldsa skaitli?

Reinoldsa skaitlis arī palīdz izskaidrot, kāpēc pietiekams taisnas caurules garums ir svarīgs.

Pēc līkuma, vārsta, reduktora vai cita savienojuma plūsmas profils var tikt traucēts.

Plūsmai ir nepieciešams pietiekams attālums, lai attīstītos stabilāka profila virzienā.

Attīstības process ir atkarīgs no tādiem faktoriem kā:

• Reinoldsa skaitlis
• Caurules diametrs
• Caurules raupjums
• Traucējumu veids
• Plūsmas ātrums

Ja ultraskaņas plūsmas mērītājs ir uzstādīts pārāk tuvu augšpus plūsmas traucējumiem, izmērīto akustisko ātrumu var spēcīgi ietekmēt asimetrisks vai virpuļojošs ātruma profils.

Tas var radīt mērījumu kļūdas.

Tāpēc tipiskā ultraskaņas plūsmas mērītāja uzstādīšanas vadlīnijā var ieteikt:

Augšupvērsta taisna caurule ≥ 10D

Lejupvērsta taisna caurule ≥ 5D

kurD ir caurules iekšējais diametrs.

9. Vai augstāks Reinoldsa skaitlis vienmēr nozīmē labāku precizitāti?

Ne obligāti.

Augstāks Reinoldsa skaitlis parasti norāda uz turbulentāku plūsmu, taču mērījumu precizitāte ir atkarīga no daudziem citiem faktoriem.

Tie ietver:

• Plūsmas profils
• Pārveidotāja uzstādīšana
• Cauruļu stāvoklis
• Taisnas caurules garums
• Signāla kvalitāte
• Akustiskā ceļa konfigurācija
• Šķidruma īpašības
• Skaitītāja kalibrēšana

Tāpēc Reinoldsa skaitlis jāuzskata par svarīgu rādītāju.plūsmas stāvokļa parametrs, nevis tiešs plūsmas mērītāja precizitātes rādītājs.

10. Kāpēc daudzceļu ultraskaņas plūsmas mērītāji ir mazāk jutīgi pret plūsmas profilu?

Šī ir viena no svarīgākajām daudzceļu ultraskaņas plūsmas mērīšanas priekšrocībām.

Viens akustiskais ceļš ņem paraugus ātrumam gar ierobežotu caurules apgabalu.

Daudzceļu plūsmas mērītājs izmanto vairākus akustiskos ceļus dažādās pozīcijās.

Konceptuāli:

Viens ceļš

→ Mēra ātrumu pa vienu akustisko ceļu

Daudzceļu

→ Ņem paraugus no vairākiem caurules reģioniem

Instruments var izmantot šos mērījumus, lai iegūtu labāku kopējā ātruma sadalījuma attēlojumu.

Tāpēc daudzceļu ultraskaņas plūsmas mērītāji bieži tiek izvēlēti lietojumos, kur:

• Plūsmas profils ir sarežģīts
• Nepieciešama augsta precizitāte
• Caurules diametrs ir liels
• Plūsmas traucējumus ir grūti novērst

Reinoldsa skaitlis ietekmē ultraskaņas plūsmas mērījumus, jo tas ietekmēplūsmas režīms un ātruma profils caurules iekšpusē.

Pamatattiecības ir šādas:

Re = ρVD / μ

Mainoties Reinoldsa skaitlim, plūsma var pāriet starp lamināru, pārejas un turbulentu režīmu. Tas maina ātruma sadalījumu caurulē un tādējādi ietekmē attiecību starp ātrumu, kas izmērīts ultraskaņas akustiskajā ceļā, un faktisko vidējo plūsmas ātrumu.

Praktiskai ultraskaņas plūsmas mērīšanai Reinoldsa skaitlis jāņem vērā kopā ar:

Plūsmas ātrums + Šķidruma viskozitāte + Caurules diametrs + Plūsmas profils + Taisnas caurules garums + Akustiskā ceļa konfigurācija

Reinoldsa skaitļa izpratne palīdz inženieriem labāk novērtētplūsmas apstākļi, sensora uzstādīšana, mērījumu nenoteiktība un ultraskaņas plūsmas mērītāja piemērotība konkrētam pielietojumam.