Avansert numerisk modellering av ultralyd-mengdemåling

Hvis en båt beveger seg med strømmen fra et punkt på den ene siden av en elv til et punkt nedstrøms på den andre siden, vil det ta kortere tid sammenlignet med den motsatte ruten mot strømmen. Forskjellen i reisetid er proporsjonal med strømningshastigheten. Dette prinsippet anvendes av ultralyd-mengdemålere som sender ultralydbølger med og mot strømmen, for å måle strømningshastigheten i rør. Mengdemåling er viktig i dagliglivet og i industrien, for eksempel ved måling av vannforbruk, drivstoff på bensinstasjoner, små mengder i farmasøytiske produkter, mat- og drikkevarer eller store mengder som fraktes av skip i forbindelse med handel. En nøyaktig måling er viktig, enten på grunn av krav til nøyaktighet eller av økonomiske årsaker.

I denne avhandlingen fokuseres det på ultralyd-mengdemålere og nøyaktig modellering av disse. En numerisk metode, "Simulations of Piezoelectricity, Acoustics, Coupled with CFD" (SimPAC2), er utviklet for 3D-simuleringer av ultralyd-mengdemålere. Full 3D-simulering er en utfordring på grunn av kompleksitet, høye frekvenser og små bølgelengder, og det foreslås derfor en simuleringsstrategi som krever høyytelsesberegninger. Finite-Element-metoden (FEM) og Finite-Volume-metoden (FVM) kombineres for multifysikksimuleringer av piezoelektrisitet, strukturakustikk, akustikk i flytende medier i bevegelse og numerisk fluiddynamikk (CFD). Innledningsvis simuleres en geometri med to piezoelektriske elementer. Deretter økes kompleksiteten ved å simulere ultralyd-mengdemålere med én eller to lydbaner. Resultatene sammenlignes og verifiseres med andre simuleringsmetoder eller eksperimenter. SimPAC2 muliggjør 3D-multifysikksimuleringer, systematiske studier av mengdemålere, 3D-hulromseffekter, effekt av utstikkende sensorer og interaksjon mellom akustikk og reelle strømninger. SimPAC2 kan også brukes som et design- og optimaliseringsverktøy for ultralyd-mengdemålere for å redusere utviklingssyklusen og forbedre ytelsen.

Personalia

Panagiotis Papathanasiou (f. 1987) er født i Aten i Hellas og fullførte sin mastergrad i maskinteknikk ved Aristoteles-universitetet i Thessaloniki i 2011. Panagiotis jobber hos Endress+Hauser i Sveits som utviklingsingeniør innen ultralyd-mengdemålere, væskedynamikk og simuleringer. Avhandlingen hans ble fullført ved UiB i samarbeid med Endress+Hauser. Hovedveileder er professor Per Lunde, og medveiledere er Dr. Michal Bezdek og Dr. Vivek Kumar.