TheReynoldsov broj (Re)je jedan od najvažnijih bezdimenzionalnih parametara u mehanici fluida. Pomaže u opisivanju odnosa izmeđuinercijalne sile i viskozne sileu tekućoj tekućini i obično se koristi za određivanje je li protoklaminarni, prelazni ili turbulentni.

Za ultrazvučno mjerenje protoka, Reynoldsov broj je važan jer režim protoka direktno utiče naprofil brzine unutar cijeviBudući da ultrazvučni mjerač protoka mjeri brzinu fluida duž akustične putanje i koristi te informacije za određivanje prosječne brzine protoka, promjene u profilu brzine mogu utjecati na tačnost mjerenja.

1. Šta je Reynoldsov broj?

Za protok unutar cijevi, Reynoldsov broj se može izraziti kao:

Re = ρVD / μ

ili:

Re = VD / ν

gdje:

• Re= Reynoldsov broj
• ρ= gustoća fluida
• V= prosječna brzina protoka
• D= unutrašnji prečnik cijevi
• μ= dinamička viskoznost
• ν= kinematička viskoznost

Reynoldsov broj je bezdimenzionalan.

Općenito, za protok u kružnoj cijevi:

• Re < približno 2.300→ Laminarni tok
• Re ≈ 2.300–4.000→ Prelazni tok
• Re > približno 4.000→ Turbulentni tok

Ove vrijednosti su opšte smjernice, a ne apsolutne granice, jer stvarni uslovi protoka mogu varirati u zavisnosti od geometrije cijevi i poremećaja.

2. Koja je razlika između laminarnog i turbulentnog toka?

Glavna razlika je način na koji se brzina raspoređuje po cijevi.

Laminarni tok

U laminarnom toku, fluid se kreće u relativno uređenim slojevima.

Profil brzine je obično izraženiji, sa:

• Manja brzina blizu zida cijevi
• Veća brzina prema centru
• Relativno predvidljiv parabolični profil brzine

Pojednostavljena reprezentacija je:

Zid → Mala brzina → Velika brzina → Mala brzina → Zid

Turbulentni tok

U turbulentnom toku, kretanje fluida je mnogo nepravilnije.

Male fluktuacije i miješanje uzrokuju da profil brzine postane ravniji u poređenju sa laminarnim tokom.

To znači da se raspodjela brzine duž cijevi značajno mijenja s Reynoldsovim brojem.

3. Zašto je ovo važno za ultrazvučni mjerač protoka?

Ultrazvučni mjerač protoka ne mjeri direktno ukupnu zapreminu tekućine koja prolazi kroz cijev.

Umjesto toga, mjeribrzina tečnostia zatim izračunava volumetrijski protok.

U pojednostavljenom obliku:

Q = V × A

gdje:

• Q= volumetrijski protok
• V= prosječna brzina protoka
• A= površina poprečnog presjeka cijevi

Izazov je u tome što brzina mjerena duž ultrazvučne akustične putanje možda nije potpuno jednaka prosječnoj brzini preko cijele cijevi.

Stoga, instrument mora uzeti u obzir odnos između izmjerene akustične brzine i stvarne prosječne brzine protoka.

Na ovaj odnos snažno utiče profil brzine.

4. Kako Reynoldsov broj mijenja profil brzine?

Razmotrite dva slučaja.

Nizak Reynoldsov broj

Pri niskom Re, tok može biti laminaran.

Profil brzine je snažno zakrivljen:

Centralna brzina > Prosječna brzina > Brzina blizu zida

Ako ultrazvučni akustični put prolazi kroz određeno područje cijevi, izmjerena brzina može se značajno razlikovati od prosječne brzine poprečnog presjeka.

Visok Reynoldsov broj

Pri većem Re, tok postaje turbulentan.

Miješanje obično stvara ravniji profil brzine, iako se brzina i dalje smanjuje prema zidu cijevi.

Brzina akustičnog puta stoga može imati drugačiji odnos sa prosječnom brzinom u cijevi.

To je jedan od razloga zašto ultrazvučni mjerač protoka ne može jednostavno pretpostaviti da jedna izmjerena vrijednost brzine uvijek odgovara istoj prosječnoj brzini protoka.

5. Ultrazvučni mjerači protoka s Reynoldsovim brojem i vremenom prolaska

Kod ultrazvučnog mjerača protoka s vremenom prolaza, instrument mjeri razliku između uzvodnog i nizvodnog ultrazvučnog vremena prolaza.

Osnovni odnos se može pojednostaviti kao:

Brzina protoka ∝ Razlika u vremenu tranzita

Izmjerena brzina povezana je s komponentom brzine duž ultrazvučne akustične putanje.

Međutim, stvarni volumetrijski protok zavisi odprosječna brzina preko cijelog poprečnog presjeka cijevi.

Stoga, instrument mora povezati izmjerenu akustičnu brzinu sa prosječnom brzinom protoka.

Na ovaj odnos mogu uticati:

• Reynoldsov broj
• Lokacija akustične putanje
• Broj akustičnih puteva
• Profil protoka
• Prečnik cijevi
• Poremećaji protoka

6. Zašto je efekat važniji pri malim protocima?

Od:

Re = ρVD / μ

Kada se brzina protoka smanji, smanjuje se i Reynoldsov broj.

Na primjer, sistem koji radi pri visokom protoku može imati potpuno razvijen turbulentni tok, dok isti sistem koji radi pri vrlo niskom protoku može dostići prelazni ili laminarni režim.

Profil brzine se stoga može značajno mijenjati s promjenom brzine protoka.

To znači da je odnos između:

Brzina akustične putanje

i

Prosječna brzina u cijevi

se također može promijeniti.

Za neke ultrazvučne mjerače protoka, ovo može postati važno razmatranje pri mjerenju vrlo niskih protoka ili visoko viskoznih tekućina.

7. Zašto je viskoznost fluida bitna?

Reynoldsov broj je obrnuto proporcionalan viskoznosti:

Re = ρVD / μ

Ako se viskoznost poveća, Reynoldsov broj se smanji za isti prečnik cijevi, gustinu i brzinu protoka.

Na primjer, razmotrimo dvije tekućine koje teku istom brzinom kroz istu cijev:

Voda → Niska viskoznost → Viša viskoznost

Teško ulje → Visoka viskoznost → Niža referentna vrijednost

Teška nafta može imati mnogo izraženiji profil brzine zbog svoje veće viskoznosti.

Stoga se isti ultrazvučni mjerač protoka može ponašati drugačije pri mjerenju različitih tekućina, čak i ako su promjer cijevi i brzina protoka slični.

8. Zašto je dužina ravne cijevi povezana s Reynoldsovim brojem?

Reynoldsov broj također pomaže u objašnjavanju zašto je dovoljna dužina ravne cijevi važna.

Nakon ugradnje koljena, ventila, reduktora ili drugog spoja, profil protoka može biti poremećen.

Toku je potrebna dovoljna udaljenost da bi se razvio prema stabilnijem profilu.

Proces razvoja zavisi od faktora, uključujući:

• Reynoldsov broj
• Prečnik cijevi
• Hrapavost cijevi
• Vrsta poremećaja
• Brzina protoka

Ako je ultrazvučni mjerač protoka instaliran preblizu uzvodnom poremećaju, na izmjerenu akustičnu brzinu može snažno utjecati asimetrični ili vrtložni profil brzine.

Ovo može dovesti do grešaka u mjerenju.

Zato tipične smjernice za instalaciju ultrazvučnog mjerača protoka mogu preporučiti:

Uzvodna ravna cijev ≥ 10D

Nizvodna ravna cijev ≥ 5D

gdjeD je unutrašnji prečnik cijevi.

9. Da li veći Reynoldsov broj uvijek znači bolju tačnost?

Ne nužno.

Veći Reynoldsov broj generalno ukazuje na turbulentniji tok, ali tačnost mjerenja zavisi od mnogih drugih faktora.

To uključuje:

• Profil protoka
• Instalacija pretvarača
• Stanje cijevi
• Dužina ravne cijevi
• Kvalitet signala
• Konfiguracija akustične putanje
• Svojstva fluida
• Kalibracija mjerača

Stoga, Reynoldsov broj treba smatrati važnimparametar uvjeta protoka, a ne direktni pokazatelj tačnosti mjerača protoka.

10. Zašto su višekanalni ultrazvučni mjerači protoka manje osjetljivi na profil protoka?

Ovo je jedna od važnih prednosti višestrukog ultrazvučnog mjerenja protoka.

Jedna akustična putanja uzorkuje brzinu duž ograničenog područja cijevi.

Višekanalni mjerač protoka koristi nekoliko akustičnih puteva na različitim pozicijama.

Konceptualno:

Jedna putanja

→ Mjeri brzinu duž jedne akustične putanje

Višestruki put

→ Uzorkuje više dijelova cijevi

Instrument može koristiti ova mjerenja kako bi dobio bolji prikaz ukupne raspodjele brzine.

Stoga se višekanalni ultrazvučni mjerači protoka često preferiraju za primjene gdje:

• Profil toka je složen
• Potrebna je visoka tačnost
• Prečnik cijevi je veliki
• Poremećaje protoka je teško izbjeći

Reynoldsov broj utiče na ultrazvučno mjerenje protoka jer utiče narežim strujanja i profil brzine unutar cijevi.

Osnovni odnos je:

Re = ρVD / μ

Kako se Reynoldsov broj mijenja, tok može prelaziti između laminarnog, prelaznog i turbulentnog režima. To mijenja raspodjelu brzine duž cijevi i stoga utiče na odnos između brzine izmjerene duž ultrazvučne akustične putanje i stvarne prosječne brzine protoka.

Za praktično ultrazvučno mjerenje protoka, Reynoldsov broj treba uzeti u obzir zajedno sa:

Brzina protoka + Viskoznost fluida + Prečnik cijevi + Profil protoka + Dužina ravne cijevi + Konfiguracija akustičnog puta

Razumijevanje Reynoldsovog broja pomaže inženjerima da bolje procijeneuslovi protoka, instalacija senzora, nesigurnost mjerenja i prikladnost ultrazvučnog mjerača protoka za određenu primjenu.