Ten/Tá/ToReynoldsovo číslo (Re)je jedným z najdôležitejších bezrozmerných parametrov v mechanike tekutín. Pomáha opísať vzťah medzizotrvačné sily a viskózne silyv prúdiacej tekutine a bežne sa používa na určenie, či je toklaminárne, prechodné alebo turbulentné.

Pre meranie prietoku ultrazvukom je Reynoldsovo číslo dôležité, pretože režim prúdenia priamo ovplyvňujeprofil rýchlosti vo vnútri potrubiaKeďže ultrazvukový prietokomer meria rýchlosť kvapaliny pozdĺž akustickej dráhy a tieto informácie používa na určenie priemernej rýchlosti prúdenia, zmeny v profile rýchlosti môžu ovplyvniť presnosť merania.

1. Čo je Reynoldsovo číslo?

Pre prúdenie vo vnútri potrubia možno Reynoldsovo číslo vyjadriť ako:

Re = ρVD / μ

alebo:

Re = VD / ν

kde:

• Re= Reynoldsovo číslo
• ρ= hustota kvapaliny
• V= priemerná rýchlosť prúdenia
• D= vnútorný priemer potrubia
• μ= dynamická viskozita
• ν= kinematická viskozita

Reynoldsovo číslo je bezrozmerné.

Vo všeobecnosti pre prúdenie v kruhovom potrubí:

• Re < približne 2 300→ Laminárne prúdenie
• Re ≈ 2 300 – 4 000→ Prechodný tok
• Re > približne 4 000→ Turbulentné prúdenie

Tieto hodnoty sú skôr všeobecné pokyny než absolútne hranice, pretože skutočné podmienky prúdenia sa môžu líšiť v závislosti od geometrie potrubia a porúch.

2. Aký je rozdiel medzi laminárnym a turbulentným prúdením?

Hlavný rozdiel spočíva v spôsobe, akým je rýchlosť rozložená v potrubí.

Laminárne prúdenie

Pri laminárnom prúdení sa tekutina pohybuje v relatívne usporiadaných vrstvách.

Profil rýchlosti je typicky výraznejší, s:

• Nižšia rýchlosť v blízkosti steny potrubia
• Vyššia rýchlosť smerom do stredu
• Relatívne predvídateľný parabolický rýchlostný profil

Zjednodušené znázornenie je:

Stena → Nízka rýchlosť → Vysoká rýchlosť → Nízka rýchlosť → Stena

Turbulentný tok

Pri turbulentnom prúdení je pohyb tekutiny oveľa nerovnomernejší.

Malé výkyvy a miešanie spôsobujú, že profil rýchlosti sa v porovnaní s laminárnym prúdením stáva plochejším.

To znamená, že rozloženie rýchlosti v potrubí sa výrazne mení s Reynoldsovým číslom.

3. Prečo je to dôležité pre ultrazvukový prietokomer?

Ultrazvukový prietokomer priamo nemeria celkový objem kvapaliny prechádzajúcej potrubím.

Namiesto toho meriarýchlosť kvapalinya potom vypočíta objemový prietok.

V zjednodušenej forme:

Q = V × A

kde:

• Q= objemový prietok
• V= priemerná rýchlosť prúdenia
• A= plocha prierezu potrubia

Problém je v tom, že rýchlosť meraná pozdĺž ultrazvukovej akustickej dráhy nemusí byť presne rovnaká ako priemerná rýchlosť v celom potrubí.

Prístroj preto musí zohľadňovať vzťah medzi nameranou akustickou rýchlosťou a skutočnou priemernou rýchlosťou prúdenia.

Tento vzťah je silne ovplyvnený profilom rýchlosti.

4. Ako Reynoldsovo číslo mení profil rýchlosti?

Zvážte dva prípady.

Nízke Reynoldsovo číslo

Pri nízkom Re môže byť prúdenie laminárne.

Profil rýchlosti je silne zakrivený:

Stredová rýchlosť > Priemerná rýchlosť > Rýchlosť blízko steny

Ak ultrazvuková akustická dráha prechádza konkrétnou oblasťou potrubia, nameraná rýchlosť sa môže výrazne líšiť od priemernej rýchlosti v priereze.

Vysoké Reynoldsovo číslo

Pri vyššom Re sa prúdenie stáva turbulentným.

Miešanie má tendenciu vytvárať plochejší profil rýchlosti, hoci rýchlosť stále klesá smerom k stene potrubia.

Rýchlosť akustickej dráhy môže mať preto odlišný vzťah k priemernej rýchlosti v potrubí.

To je jeden z dôvodov, prečo ultrazvukový prietokomer nemôže jednoducho predpokladať, že jedna nameraná hodnota rýchlosti vždy zodpovedá rovnakej priemernej rýchlosti prúdenia.

5. Ultrazvukové prietokomery s Reynoldsovým číslom a dobou prechodu

Pri ultrazvukovom prietokomeri s meraním doby prechodu prístroj meria rozdiel medzi časmi prechodu ultrazvuku proti prúdu a po prúde.

Základný vzťah možno zjednodušene znázorniť takto:

Rýchlosť prúdenia ∝ Rozdiel času tranzitu

Nameraná rýchlosť je spojená so zložkou rýchlosti pozdĺž ultrazvukovej akustickej dráhy.

Skutočný objemový prietok však závisí odpriemerná rýchlosť v celom priereze potrubia.

Prístroj preto musí vzťahovať nameranú akustickú rýchlosť k priemernej rýchlosti prúdenia.

Tento vzťah môže byť ovplyvnený:

• Reynoldsovo číslo
• Umiestnenie akustickej cesty
• Počet akustických ciest
• Profil prúdenia
• Priemer potrubia
• Poruchy prúdenia

6. Prečo je efekt dôležitejší pri nízkych prietokoch?

Od:

Re = ρVD / μ

Keď sa rýchlosť prúdenia znižuje, znižuje sa aj Reynoldsovo číslo.

Napríklad systém pracujúci s vysokým prietokom môže mať plne vyvinuté turbulentné prúdenie, zatiaľ čo ten istý systém pracujúci s veľmi nízkym prietokom sa môže priblížiť k prechodnému alebo laminárnemu režimu.

Profil rýchlosti sa preto môže výrazne meniť so zmenou prietoku.

To znamená, že vzťah medzi:

Rýchlosť akustickej dráhy

a

Priemerná rýchlosť v potrubí

sa môže tiež zmeniť.

Pre niektoré ultrazvukové prietokomery to môže byť dôležitým faktorom pri meraní veľmi nízkych prietokov alebo vysoko viskóznych kvapalín.

7. Prečo je viskozita kvapaliny dôležitá?

Reynoldsovo číslo je nepriamo úmerné viskozite:

Re = ρVD / μ

Ak sa viskozita zvýši, Reynoldsovo číslo sa zníži pri rovnakom priemere potrubia, hustote a rýchlosti prúdenia.

Napríklad, predstavte si dve kvapaliny prúdiace rovnakou rýchlosťou cez to isté potrubie:

Voda → Nízka viskozita → Vyššia viskozita

Ťažký olej → Vysoká viskozita → Nižšia viskozita

Ťažký olej môže mať oveľa výraznejší rýchlostný profil kvôli svojej vyššej viskozite.

Preto sa ten istý ultrazvukový prietokomer môže správať odlišne pri meraní rôznych kvapalín, aj keď sú priemer potrubia a rýchlosť prúdenia podobné.

8. Prečo súvisí dĺžka rovnej rúry s Reynoldsovým číslom?

Reynoldsovo číslo tiež pomáha vysvetliť, prečo je dostatočná dĺžka rovného potrubia dôležitá.

Po kolene, ventile, redukcii alebo inom armatúre môže dôjsť k narušeniu profilu prúdenia.

Prúdenie potrebuje dostatočnú vzdialenosť, aby sa vyvinulo smerom k stabilnejšiemu profilu.

Proces vývoja závisí od faktorov, medzi ktoré patria:

• Reynoldsovo číslo
• Priemer potrubia
• Drsnosť potrubia
• Typ rušenia
• Rýchlosť prúdenia

Ak je ultrazvukový prietokomer nainštalovaný príliš blízko k rušeniu proti prúdu, nameraná akustická rýchlosť môže byť silne ovplyvnená asymetrickým alebo vírivým profilom rýchlosti.

To môže viesť k chybám merania.

Preto môže typický návod na inštaláciu ultrazvukového prietokomeru odporúčať:

Priame potrubie proti prúdu ≥ 10D

Rovné potrubie po prúde ≥ 5D

kdeD je vnútorný priemer potrubia.

9. Znamená vyššie Reynoldsovo číslo vždy lepšiu presnosť?

Nie nevyhnutne.

Vyššie Reynoldsovo číslo vo všeobecnosti naznačuje turbulentnejšie prúdenie, ale presnosť merania závisí od mnohých ďalších faktorov.

Patria sem:

• Profil prúdenia
• Inštalácia prevodníka
• Stav potrubia
• Dĺžka rovnej rúry
• Kvalita signálu
• Konfigurácia akustickej cesty
• Vlastnosti tekutín
• Kalibrácia meradla

Preto by sa Reynoldsovo číslo malo považovať za dôležitýparameter podmienok prúdenia, a nie priamym ukazovateľom presnosti prietokomeru.

10. Prečo sú viaccestné ultrazvukové prietokomery menej citlivé na profil prietoku?

Toto je jedna z dôležitých výhod viaccestného ultrazvukového merania prietoku.

Jedna akustická dráha vzorkuje rýchlosť pozdĺž obmedzenej oblasti potrubia.

Viaccestný prietokomer využíva niekoľko akustických dráh na rôznych miestach.

Koncepčne:

Jedna cesta

→ Meria rýchlosť pozdĺž jednej akustickej dráhy

Viaccestný

→ Vzorky z viacerých oblastí potrubia

Prístroj dokáže tieto merania použiť na získanie lepšieho znázornenia celkového rozloženia rýchlosti.

Preto sú viaccestné ultrazvukové prietokomery často uprednostňované pre aplikácie, kde:

• Profil prúdenia je zložitý
• Vyžaduje sa vysoká presnosť
• Priemer potrubia je veľký
• Poruchám prúdenia je ťažké sa vyhnúť

Reynoldsovo číslo ovplyvňuje meranie prietoku ultrazvukom, pretože ovplyvňujerežim prúdenia a profil rýchlosti vo vnútri potrubia.

Základný vzťah je:

Re = ρVD / μ

So zmenou Reynoldsovho čísla môže prúdenie prechádzať medzi laminárnym, prechodným a turbulentným režimom. To mení rozloženie rýchlosti v potrubí, a preto ovplyvňuje vzťah medzi rýchlosťou meranou pozdĺž ultrazvukovej akustickej dráhy a skutočnou priemernou rýchlosťou prúdenia.

Pre praktické meranie prietoku ultrazvukom by sa malo Reynoldsovo číslo brať do úvahy spolu s:

Rýchlosť prúdenia + Viskozita kvapaliny + Priemer potrubia + Profil prúdenia + Dĺžka priameho potrubia + Konfigurácia akustickej dráhy

Pochopenie Reynoldsovho čísla pomáha inžinierom lepšie vyhodnotiťpodmienky prúdenia, inštalácia snímača, neistota merania a vhodnosť ultrazvukového prietokomeru pre konkrétnu aplikáciu.