המספר ריינולדס (Re)הוא אחד הפרמטרים חסרי המימד החשובים ביותר במכניקת הזורמים. הוא מסייע לתאר את הקשר ביןכוחות אינרציאליים וכוחות צמיגיםבנוזל זורם ומשמש בדרך כלל כדי לקבוע האם הזרימה היאלמינרי, מעברי או טורבולנטי.

עבור מדידת זרימה אולטרסאונד, מספר ריינולדס חשוב מכיוון שמשטר הזרימה משפיע ישירות עלפרופיל המהירות בתוך הצינורמאחר שמד זרימה אולטרסאונד מודד את מהירות הנוזל לאורך נתיב אקוסטי ומשתמש במידע זה כדי לקבוע את מהירות הזרימה הממוצעת, שינויים בפרופיל המהירות יכולים להשפיע על דיוק המדידה.

1. מהו מספר ריינולדס?

עבור זרימה בתוך צינור, ניתן לבטא את מספר ריינולדס כך:

Re = ρVD / μ

אוֹ:

Re = VD / ν

אֵיפֹה:

• Re= מספר ריינולדס
• ρ= צפיפות נוזל
• V= מהירות זרימה ממוצעת
• D= קוטר פנימי של הצינור
• μ= צמיגות דינמית
• ν= צמיגות קינמטית

מספר ריינולדס הוא חסר מימדים.

באופן כללי, עבור זרימה בצינור עגול:

• Re < כ-2,300→ זרימה למינרית
• Re ≈ 2,300–4,000→ זרימה מעברית
• כ-4,000→ זרימה טורבולנטית

ערכים אלה הם הנחיות כלליות ולא גבולות מוחלטים, משום שתנאי הזרימה בפועל יכולים להשתנות בהתאם לגיאומטריה של הצינור ולהפרעות.

2. מה ההבדל בין זרימה למינרית לזרימה טורבולנטית?

ההבדל העיקרי הוא באופן שבו המהירות מתפזרת על פני הצינור.

זרימה למינרית

בזרימה למינרית, נוזל נע בשכבות מסודרות יחסית.

פרופיל המהירות בדרך כלל בולט יותר, עם:

• מהירות נמוכה יותר ליד דופן הצינור
• מהירות גבוהה יותר לכיוון המרכז
• פרופיל מהירות פרבולית צפוי יחסית

ייצוג פשוט הוא:

קיר → מהירות נמוכה → מהירות גבוהה → מהירות נמוכה → קיר

זרימה סוערת

בזרימה טורבולנטית, תנועת הנוזלים הרבה יותר לא סדירה.

תנודות בקנה מידה קטן וערבוב גורמות לפרופיל המהירות להיות שטוח יותר בהשוואה לזרימה למינרית.

משמעות הדבר היא שחלוקת המהירות על פני הצינור משתנה באופן משמעותי עם מספר ריינולדס.

3. מדוע זה משנה למד זרימה אולטרסאונד?

מד זרימה אולטרסאונד אינו מודד ישירות את הנפח הכולל של הנוזל העובר דרך הצינור.

במקום זאת, הוא מודד אתמהירות הנוזלולאחר מכן מחשב את קצב הזרימה הנפחית.

בצורה פשוטה:

Q = V × A

אֵיפֹה:

• Q= קצב זרימה נפחי
• V= מהירות זרימה ממוצעת
• A= שטח חתך צינור

האתגר הוא שהמהירות הנמדדת לאורך נתיב אקוסטי אולטרסוני עשויה לא להיות שווה בדיוק למהירות הממוצעת על פני כל הצינור.

לכן, המכשיר חייב להתחשב בקשר בין המהירות האקוסטית הנמדדת למהירות הזרימה הממוצעת בפועל.

קשר זה מושפע מאוד מפרופיל המהירות.

4. כיצד מספר ריינולדס משנה את פרופיל המהירות?

קחו בחשבון שני מקרים.

מספר ריינולדס נמוך

ב-Re נמוך, הזרימה עשויה להיות למינרית.

פרופיל המהירות עקום מאוד:

מהירות מרכז > מהירות ממוצעת > מהירות קרובה לקיר

אם הנתיב האקוסטי האולטרסוני עובר דרך אזור מסוים של הצינור, המהירות הנמדדת עשויה להיות שונה באופן משמעותי ממהירות ממוצעת בחתך הרוחב.

מספר ריינולדס גבוה

ב-Re גבוה יותר, הזרימה הופכת טורבולנטית.

ערבוב נוטה לייצר פרופיל מהירות שטוח יותר, אם כי המהירות עדיין יורדת לכיוון דופן הצינור.

לכן, מהירות המסלול האקוסטי יכולה להיות בעלת קשר שונה עם מהירות הצינור הממוצעת.

זוהי אחת הסיבות לכך שמד זרימה אולטרסאונד לא יכול פשוט להניח שערך מהירות נמדד אחד תמיד תואם לאותה מהירות זרימה ממוצעת.

5. מדי זרימה אולטרסאונדים של מספר ריינולדס וזמן מעבר

עבור מד זרימה אולטרסאונד לבדיקת זמן מעבר, המכשיר מודד את ההפרש בין זמני המעבר האולטרסאונד במעלה הזרם ובמורד הזרם.

ניתן לפשט את הקשר הבסיסי כך:

מהירות זרימה ∝ הפרש זמן מעבר

המהירות הנמדדת קשורה לרכיב המהירות לאורך המסלול האקוסטי האולטרסוני.

עם זאת, קצב הזרימה הנפחית בפועל תלוי ב-מהירות ממוצעת על פני כל חתך הצינור.

לכן, המכשיר חייב לקשר את המהירות האקוסטית הנמדדת למהירות הזרימה הממוצעת.

קשר זה יכול להיות מושפע מ:

• מספר ריינולדס
• מיקום נתיב אקוסטי
• מספר נתיבים אקוסטיים
• פרופיל זרימה
• קוטר הצינור
• הפרעות זרימה

6. מדוע ההשפעה חשובה יותר בקצבי זרימה נמוכים?

מֵאָז:

Re = ρVD / μ

כאשר מהירות הזרימה יורדת, גם מספר ריינולדס יורד.

לדוגמה, מערכת הפועלת בקצב זרימה גבוה עשויה להיות בעלת זרימה טורבולנטית מפותחת במלואה, בעוד שאותה מערכת הפועלת בקצב זרימה נמוך מאוד עשויה להתקרב למשטר מעבר או למינרי.

לכן, פרופיל המהירות יכול להשתנות באופן משמעותי ככל שקצב הזרימה משתנה.

משמעות הדבר היא שהקשר בין:

מהירות נתיב אקוסטי

ו

מהירות צינור ממוצעת

עשוי גם להשתנות.

עבור כמה מדי זרימה אולטרסאונד, זה יכול להפוך לשיקול חשוב בעת מדידת קצב זרימה נמוך מאוד או נוזלים צמיגים מאוד.

7. מדוע צמיגות הנוזל חשובה?

מספר ריינולדס נמצא ביחס הפוך לצמיגות:

Re = ρVD / μ

אם הצמיגות עולה, מספר ריינולדס יורד עבור אותו קוטר צינור, צפיפות ומהירות זרימה.

לדוגמה, נבחן שני נוזלים הזורמים באותה מהירות דרך אותו צינור:

מים → צמיגות נמוכה → צמיגות גבוהה יותר

שמן כבד → צמיגות גבוהה → Re נמוך יותר

לשמן כבד עשוי להיות פרופיל מהירות בולט הרבה יותר בגלל צמיגותו הגבוהה יותר.

לכן, אותו מד זרימה אולטרסאונד עשוי להתנהג בצורה שונה בעת מדידת נוזלים שונים, גם אם קוטר הצינור ומהירות הזרימה דומים.

8. מדוע אורך צינור ישר קשור למספר ריינולדס?

מספר ריינולדס גם עוזר להסביר מדוע אורך צינור ישר מספיק חשוב.

לאחר מרפק, שסתום, מפחית או אביזר אחר, פרופיל הזרימה עלול להיפגע.

הזרימה זקוקה למרחק מספיק כדי להתפתח לעבר פרופיל יציב יותר.

תהליך הפיתוח תלוי בגורמים הכוללים:

• מספר ריינולדס
• קוטר הצינור
• חספוס הצינור
• סוג ההפרעה
• מהירות הזרימה

אם מד הזרימה האולטרסוני מותקן קרוב מדי להפרעה במעלה הזרם, המהירות האקוסטית הנמדדת עלולה להיות מושפעת מאוד מפרופיל מהירות אסימטרי או מסתחרר.

זה יכול להכניס שגיאות מדידה.

זו הסיבה שמדריך התקנה טיפוסי למד זרימה אולטרסאונד עשוי להמליץ ​​על:

צינור ישר במעלה הזרם ≥ 10D

צינור ישר במורד הזרם ≥ 5D

אֵיפֹהD הוא הקוטר הפנימי של הצינור.

9. האם מספר ריינולדס גבוה יותר תמיד משמעו דיוק טוב יותר?

לא בהכרח.

מספר ריינולדס גבוה יותר מצביע בדרך כלל על זרימה טורבולנטית יותר, אך דיוק המדידה תלוי בגורמים רבים אחרים.

אלה כוללים:

• פרופיל זרימה
• התקנת מתמר
• מצב הצינור
• אורך צינור ישר
• איכות האות
• תצורת נתיב אקוסטי
• תכונות נוזל
• כיול מד

לכן, יש להתייחס למספר ריינולדס כאל גורם חשובפרמטר תנאי הזרימה, ולא אינדיקטור ישיר לדיוק מד הזרימה.

10. מדוע מדי זרימה אולטרסאונד רב-נתיבים פחות רגישים לפרופיל זרימה?

זהו אחד היתרונות החשובים של מדידת זרימה אולטרסאונד רב-נתיבית.

נתיב אקוסטי יחיד דוגם את המהירות לאורך אזור מוגבל של הצינור.

מד זרימה רב-נתיבי משתמש במספר נתיבים אקוסטיים במיקומים שונים.

מבחינה מושגית:

נתיב יחיד

מודד מהירות לאורך נתיב אקוסטי אחד

רב-נתיב

דוגם אזורים מרובים של הצינור

המכשיר יכול להשתמש במדידות אלו כדי לקבל ייצוג טוב יותר של התפלגות המהירות הכוללת.

לכן, מדי זרימה אולטרסאונד רב-נתיבים עדיפים לעתים קרובות עבור יישומים שבהם:

• פרופיל הזרימה מורכב
• נדרש דיוק גבוה
• קוטר הצינור גדול
• קשה להימנע מהפרעות זרימה

מספר ריינולדס משפיע על מדידת זרימה אולטרסאונד מכיוון שהוא משפיע עלמשטר הזרימה ופרופיל המהירות בתוך הצינור.

הקשר הבסיסי הוא:

Re = ρVD / μ

כאשר מספר ריינולדס משתנה, הזרימה עשויה לעבור בין משטרי זרימה למינריים, מעבריים וטורבולנטיים. זה משנה את התפלגות המהירות על פני הצינור ולכן משפיע על הקשר בין המהירות הנמדדת לאורך המסלול האקוסטי האולטרסוני לבין מהירות הזרימה הממוצעת בפועל.

למדידת זרימה אולטרסאונד מעשית, יש לקחת בחשבון את מספר ריינולדס יחד עם:

מהירות זרימה + צמיגות נוזל + קוטר צינור + פרופיל זרימה + אורך צינור ישר + תצורת נתיב אקוסטי

הבנת מספר ריינולדס עוזרת למהנדסים להעריך טוב יותרתנאי זרימה, התקנת חיישן, אי ודאות במדידה והתאמתו של מד זרימה אולטרסאונד ליישום מסוים.