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

Za ultrazvučno mjerenje protoka, Reynoldsov broj je važan jer režim protoka izravno utječe 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 točnost mjerenja.

1. Što je Reynoldsov broj?

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

Re = ρVD / μ

ili:

Re = VD / ν

gdje:

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

Reynoldsov broj je bezdimenzionalan.

Općenito, za protok u kružnoj cijevi:

• Re < približno 2.300→ Laminarni tok
• Re ≈ 2300–4000→ Prijelazni tok
• Re > približno 4.000→ Turbulentni tok

Ove vrijednosti su općenite smjernice, a ne apsolutne granice, jer stvarni uvjeti protoka mogu varirati ovisno o geometriji cijevi i poremećajima.

2. Koja je razlika između laminarnog i turbulentnog strujanja?

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 stijenke cijevi
• Veća brzina prema centru
• Relativno predvidljiv parabolički profil brzine

Pojednostavljeni prikaz 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 usporedbi s laminarnim tokom.

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

3. Zašto je ovo važno za ultrazvučni mjerač protoka?

Ultrazvučni mjerač protoka ne mjeri izravno ukupni volumen tekućine koja prolazi kroz cijev.

Umjesto toga, mjeribrzina tekućinea 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 izmjerena duž ultrazvučne akustične putanje možda nije točno 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 utječe 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:

Središnja 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.

Visoki Reynoldsov broj

Pri većem Re, tok postaje turbulentan.

Miješanje obično stvara ravniji profil brzine, iako se brzina i dalje smanjuje prema stijenci 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 može se pojednostaviti kao:

Brzina protoka ∝ Razlika u vremenu tranzita

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

Međutim, stvarni volumetrijski protok ovisi oprosječna brzina kroz cijeli presjek cijevi.

Stoga instrument mora povezati izmjerenu akustičnu brzinu s prosječnom brzinom protoka.

Na ovaj odnos mogu utjecati:

• Reynoldsov broj
• Lokacija akustične staze
• Broj akustičnih putova
• Profil protoka
• Promjer cijevi
• Poremećaji protoka

6. Zašto je učinak važniji pri niskim protocima?

Od:

Re = ρVD / μ

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

Na primjer, sustav koji radi pri visokoj brzini protoka može imati potpuno razvijen turbulentni tok, dok isti sustav koji radi pri vrlo niskoj brzini protoka može se približiti prijelaznom ili laminarnom režimu.

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

također se može promijeniti.

Za neke ultrazvučne mjerače protoka ovo može postati važno razmatranje pri mjerenju vrlo niskih protoka ili tekućina visoke viskoznosti.

7. Zašto je viskoznost fluida važna?

Reynoldsov broj je obrnuto proporcionalan viskoznosti:

Re = ρVD / μ

Ako se viskoznost povećava, Reynoldsov broj se smanjuje za isti promjer cijevi, gustoću 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 puno 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 duljina ravne cijevi povezana s Reynoldsovim brojem?

Reynoldsov broj također pomaže objasniti zašto je dovoljna duljina ravne cijevi važna.

Nakon koljena, ventila, reduktora ili drugog spoja, profil protoka može se poremetiti.

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

Proces razvoja ovisi o čimbenicima koji uključuju:

• Reynoldsov broj
• Promjer 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.

To može unijeti pogreške u mjerenju.

Zato tipične smjernice za instalaciju ultrazvučnog mjerača protoka mogu preporučiti:

Uzvodna ravna cijev ≥ 10D

Nizvodna ravna cijev ≥ 5D

gdjeD je unutarnji promjer cijevi.

9. Znači li veći Reynoldsov broj uvijek bolju točnost?

Ne nužno.

Veći Reynoldsov broj općenito ukazuje na turbulentniji tok, ali točnost mjerenja ovisi o mnogim drugim čimbenicima.

To uključuje:

• Profil protoka
• Ugradnja pretvarača
• Stanje cijevi
• Duljina ravne cijevi
• Kvaliteta signala
• Konfiguracija akustičnog puta
• Svojstva fluida
• Kalibracija mjerača

Stoga se Reynoldsov broj treba smatrati važnimparametar uvjeta protoka, a ne izravni pokazatelj točnosti mjerača protoka.

10. Zašto su višestruki 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 putova na različitim položajima.

Konceptualno:

Jedan put

→ Mjeri brzinu duž jedne akustične putanje

Višestruki put

→ Uzorkuje više područja cijevi

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

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

• Profil toka je složen
• Potrebna je visoka točnost
• Promjer cijevi je velik
• Poremećaje protoka je teško izbjeći

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

Osnovni odnos je:

Re = ρVD / μ

Kako se Reynoldsov broj mijenja, protok može prelaziti između laminarnog, prijelaznog i turbulentnog režima. To mijenja raspodjelu brzine po cijevi i stoga utječe 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 + Promjer cijevi + Profil protoka + Duljina ravne cijevi + Konfiguracija akustičnog puta

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