TheReynoldsin luku (Re)on yksi tärkeimmistä dimensiottomista parametreista virtausmekaniikassa. Se auttaa kuvaamaan suhdettainertiavoimat ja viskoosit voimatvirtaavassa nesteessä ja sitä käytetään yleisesti sen määrittämiseen, onko virtauslaminaarinen, siirtymävaiheen tai turbulentti.

Ultraäänivirtausmittauksessa Reynoldsin luku on tärkeä, koska virtausjärjestelmä vaikuttaa suoraannopeusprofiili putken sisälläKoska ultraäänivirtausmittari mittaa nesteen nopeutta akustista reittiä pitkin ja käyttää tätä tietoa keskimääräisen virtausnopeuden määrittämiseen, nopeusprofiilin muutokset voivat vaikuttaa mittaustarkkuuteen.

1. Mikä on Reynoldsin luku?

Putken sisäisen virtauksen Reynoldsin luku voidaan ilmaista seuraavasti:

Re = ρVD / μ

tai:

Re = VD / ν

jossa:

• Re= Reynoldsin luku
• ρ= nesteen tiheys
• V= keskimääräinen virtausnopeus
• D= putken sisähalkaisija
• μ= dynaaminen viskositeetti
• ν= kinemaattinen viskositeetti

Reynoldsin luku on dimensioton.

Yleisesti ottaen virtaukselle pyöreässä putkessa:

• Re < noin 2 300→ Laminaarivirtaus
• Uudelleen ≈ 2 300–4 000→ Siirtymävirtaus
• Uudelleen > noin 4 000→ Turbulentti virtaus

Nämä arvot ovat yleisiä ohjeita eivätkä absoluuttisia rajoja, koska todelliset virtausolosuhteet voivat vaihdella putken geometrian ja häiriöiden mukaan.

2. Mitä eroa on laminaarisen ja turbulenttisen virtauksen välillä?

Tärkein ero on se, miten nopeus jakautuu putken yli.

Laminaarivirtaus

Laminaarisessa virtauksessa neste liikkuu suhteellisen järjestelmällisissä kerroksissa.

Nopeusprofiili on tyypillisesti selvempi, ja siinä on:

• Pienempi nopeus putken seinämän lähellä
• Suurempi nopeus keskustaa kohti
• Suhteellisen ennustettava parabolinen nopeusprofiili

Yksinkertaistettu esitys on:

Seinä → Hidas nopeus → Suuri nopeus → Hidas nopeus → Seinä

Turbulentti virtaus

Turbulenttisessa virtauksessa nesteen liike on paljon epäsäännöllisempää.

Pienimuotoiset vaihtelut ja sekoittuminen aiheuttavat nopeusprofiilin loiventumisen laminaarivirtaukseen verrattuna.

Tämä tarkoittaa, että putken nopeusjakauma muuttuu merkittävästi Reynoldsin luvun mukana.

3. Miksi tällä on merkitystä ultraäänivirtausmittarille?

Ultraäänivirtausmittari ei mittaa suoraan putken läpi kulkevan nesteen kokonaistilavuutta.

Sen sijaan se mittaanesteen nopeusja laskee sitten tilavuusvirtauksen.

Yksinkertaistetussa muodossa:

Q = V × A

jossa:

• Q= tilavuusvirtausnopeus
• V= keskimääräinen virtausnopeus
• A= putken poikkileikkauspinta-ala

Haasteena on, että ultraääniakustisella reitillä mitattu nopeus ei välttämättä ole täsmälleen sama kuin keskimääräinen nopeus koko putken poikki.

Siksi laitteen on otettava huomioon mitatun akustisen nopeuden ja todellisen keskimääräisen virtausnopeuden välinen suhde.

Tähän suhteeseen vaikuttaa voimakkaasti nopeusprofiili.

4. Miten Reynoldsin luku muuttaa nopeusprofiilia?

Tarkastellaan kahta tapausta.

Matala Reynoldsin luku

Alhaisella Re-arvolla virtaus voi olla laminaarista.

Nopeusprofiili on voimakkaasti kaareva:

Keskinopeus > Keskinopeus > Seinän lähellä oleva nopeus

Jos ultraääniakustinen reitti kulkee putken tietyn alueen läpi, mitattu nopeus voi poiketa merkittävästi poikkileikkauksen keskinopeudesta.

Korkea Reynoldsin luku

Suuremmilla Re-arvoilla virtaus muuttuu turbulentiksi.

Sekoittaminen tuottaa yleensä tasaisemman nopeusprofiilin, vaikka nopeus silti pienenee putken seinämää kohti.

Akustisen reitin nopeudella voi siksi olla erilainen suhde putken keskimääräiseen nopeuteen.

Tämä on yksi syy siihen, miksi ultraäänivirtausmittari ei voi yksinkertaisesti olettaa, että yksi mitattu nopeusarvo vastaa aina samaa keskimääräistä virtausnopeutta.

5. Reynoldsin luku ja läpimenoaika ultraäänivirtausmittarit

Ultraäänivirtausmittarissa läpimenoaikaan perustuva laite mittaa ultraäänivirtausaikojen eron ylä- ja alavirran puolella.

Perussuhde voidaan yksinkertaistaa seuraavasti:

Virtausnopeus ∝ Siirtymäaikaero

Mitattu nopeus liittyy ultraääniakustisen reitin nopeuskomponenttiin.

Todellinen tilavuusvirtausnopeus riippuu kuitenkinkeskimääräinen nopeus koko putken poikkileikkauksessa.

Siksi laitteen on suhteutettava mitattu akustinen nopeus keskimääräiseen virtausnopeuteen.

Tähän suhteeseen voivat vaikuttaa:

• Reynoldsin luku
• Akustisen reitin sijainti
• Akustisten reittien lukumäärä
• Virtausprofiili
• Putken halkaisija
• Virtaushäiriöt

6. Miksi vaikutus on tärkeämpi pienillä virtausnopeuksilla?

Koska:

Re = ρVD / μ

Kun virtausnopeus pienenee, myös Reynoldsin luku pienenee.

Esimerkiksi suurella virtausnopeudella toimivassa järjestelmässä turbulentti virtaus voi olla täysin kehittynyt, kun taas sama järjestelmä hyvin pienellä virtausnopeudella voi lähestyä siirtymä- tai laminaarista järjestelmää.

Nopeusprofiili voi siis muuttua merkittävästi virtausnopeuden muuttuessa.

Tämä tarkoittaa, että seuraavien välinen suhde:

Akustisen reitin nopeus

ja

Putken keskimääräinen nopeus

voi myös muuttua.

Joillekin ultraäänivirtausmittareille tästä voi tulla tärkeä näkökohta mitattaessa erittäin pieniä virtausnopeuksia tai erittäin viskooseja nesteitä.

7. Miksi nesteen viskositeetilla on merkitystä?

Reynoldsin luku on kääntäen verrannollinen viskositeettiin:

Re = ρVD / μ

Jos viskositeetti kasvaa, Reynoldsin luku pienenee samalla putken halkaisijalla, tiheydellä ja virtausnopeudella.

Tarkastellaan esimerkiksi kahta nestettä, jotka virtaavat samalla nopeudella samassa putkessa:

Vesi → Matala viskositeetti → Korkeampi Re

Raskasöljy → Korkea viskositeetti → Alhaisempi Re

Raskasöljyllä voi olla paljon selkeämpi nopeusprofiili sen korkeamman viskositeetin vuoksi.

Siksi sama ultraäänivirtausmittari voi käyttäytyä eri tavalla mitattaessa eri nesteitä, vaikka putken halkaisija ja virtausnopeus olisivat samankaltaisia.

8. Miksi suoran putken pituus liittyy Reynoldsin lukuun?

Reynoldsin luku auttaa myös selittämään, miksi riittävän suoran putken pituus on tärkeä.

Kulmaliittimen, venttiilin, supistuskappaleen tai muun liitoksen jälkeen virtausprofiili voi häiriintyä.

Virtauksen on oltava riittävän pitkä kehittyäkseen kohti vakaampaa profiilia.

Kehitysprosessi riippuu tekijöistä, mukaan lukien:

• Reynoldsin luku
• Putken halkaisija
• Putken karheus
• Häiriön tyyppi
• Virtausnopeus

Jos ultraäänivirtausmittari asennetaan liian lähelle ylävirran häiriötä, mitattuun akustiseen nopeuteen voi vaikuttaa voimakkaasti epäsymmetrinen tai pyörteinen nopeusprofiili.

Tämä voi aiheuttaa mittausvirheitä.

Siksi tyypillinen ultraäänivirtausmittarin asennusohje voi suositella:

Ylävirran suora putki ≥ 10D

Suora putki alavirtaan ≥ 5D

jossaD on putken sisähalkaisija.

9. Tarkoittaako suurempi Reynoldsin luku aina parempaa tarkkuutta?

Ei välttämättä.

Suurempi Reynoldsin luku tarkoittaa yleensä turbulenttisempaa virtausta, mutta mittaustarkkuus riippuu monista muista tekijöistä.

Näitä ovat:

• Virtausprofiili
• Anturin asennus
• Putken kunto
• Suoran putken pituus
• Signaalin laatu
• Akustisen reitin konfiguraatio
• Nesteen ominaisuudet
• Mittarin kalibrointi

Siksi Reynoldsin lukua tulisi pitää tärkeänävirtausolosuhteiden parametri, eikä suorana virtausmittarin tarkkuuden mittarina.

10. Miksi monireitti-ultraäänivirtausmittarit ovat vähemmän herkkiä virtausprofiilille?

Tämä on yksi monireittisen ultraäänivirtausmittauksen tärkeimmistä eduista.

Yksi akustinen reitti mittaa nopeutta putken rajatulla alueella.

Monireittivirtausmittari käyttää useita akustisia reittejä eri paikoissa.

Käsitteellisesti:

Yksittäinen polku

→ Mittaa nopeutta yhtä akustista reittiä pitkin

Monireitti

→ Ottaa näytteitä putken useista alueista

Instrumentti voi käyttää näitä mittauksia saadakseen paremman kuvan kokonaisnopeusjakaumasta.

Siksi monireittisiä ultraäänivirtausmittareita suositaan usein sovelluksissa, joissa:

• Virtausprofiili on monimutkainen
• Vaaditaan suurta tarkkuutta
• Putken halkaisija on suuri
• Virtaushäiriöitä on vaikea välttää

Reynoldsin luku vaikuttaa ultraäänivirtausmittaukseen, koska se vaikuttaavirtausjärjestelmä ja nopeusprofiili putken sisällä.

Perussuhde on:

Re = ρVD / μ

Reynoldsin luvun muuttuessa virtaus voi vaihdella laminaarisen, siirtymä- ja turbulenttisen järjestelmän välillä. Tämä muuttaa nopeuden jakautumista putken poikki ja siten vaikuttaa ultraääniakustisella reitillä mitatun nopeuden ja todellisen keskimääräisen virtausnopeuden väliseen suhteeseen.

Käytännön ultraäänivirtausmittauksessa Reynoldsin luku tulisi ottaa huomioon yhdessä seuraavien kanssa:

Virtausnopeus + Nesteen viskositeetti + Putken halkaisija + Virtausprofiili + Suoran putken pituus + Akustisen reitin konfiguraatio

Reynoldsin luvun ymmärtäminen auttaa insinöörejä arvioimaan paremminvirtausolosuhteet, anturin asennus, mittausepävarmuus ja ultraäänivirtausmittarin soveltuvuus tiettyyn sovellukseen.