Ultraschallsimulationen ermöglichen es Baker Hughes, die Ausbreitung von Schallwellen zu untersuchen, was zur Optimierung von Wandlern beiträgt, die zur Prüfung von gefördertem Öl und Gas eingesetzt werden.

GÖTTINGEN (9. September 2025) – In der Öl- und Gasindustrie ist die Bewertung der Qualität des geförderten Gases ein entscheidender Schritt, um vor dem weiteren Veredelungsprozess sicherzustellen, dass das Produkt den Qualitätsstandards entspricht. Zu diesem Zweck setzt das Energietechnologieunternehmen Baker Hughes auf Puls-Echo- und Pitch-Catch-Tests, bei denen Ultraschallwandler zum Einsatz kommen, um mögliche Verunreinigungen zu identifizieren. Um das Design seiner Wandler zu verbessern, wandte sich Baker Hughes an COMSOL, einen weltweit führenden Anbieter von Modellierungs- und Simulationssoftware.

„Insgesamt haben wir durch Simulationen etwa 30 % der Prototypenkosten eingespart“, erklärte Haiqi Wen, leitender Wissenschaftler bei Baker Hughes. “Früher mussten wir, wenn wir neue Wandler benötigten, in der Regel eine Charge verschiedener Wandler mit unterschiedlichen Spezifikationen bestellen. Da wir nun jedoch Simulationssoftware wie COMSOL Multiphysics^® einsetzen, müssen wir lediglich überprüfen, ob die Charge einige gute Designs enthält. Dann müssen wir nur noch diese Designs bestellen, anstatt alle neuen Wandlerdesigns zu bestellen und zu testen, welches am besten funktioniert.“

Durch die Modellierung piezoelektrischer Wandler mit der Software COMSOL Multiphysics^® konnte das Team Fluide mit den Wandlern, elastische Wellen mit Druckakustik und einen externen Stromkreis mit dem Anschluss des piezoelektrischen Elements koppeln. Diese Kopplungen ermöglichten es, die Wechselwirkungen zwischen mehreren physikalischen Phänomenen genau zu untersuchen und die Umwandlung von Spannungssignalen in elastische Wellen sowie die Fluid-Struktur-Interaktion an den Rändern des Wandlers mit angepassten Schaltungsparametern zu modellieren.

Das Team entwickelte ein vereinfachtes, achsensymmetrisches 2D-Wandlermodell sowie ein vollständiges 3D-Modell und validierte beide Modelle anhand experimenteller Tests. Die Simulation sendet ein kurzes Impulssignal aus, das auf die Zementoberfläche des Bohrlochs trifft. Die Wellenausbreitung war in beiden Modellen nahezu identisch, und die Druckmesssonden zeigten übereinstimmende Ergebnisse.

Das 3D-Wandlermodell mit einem Impulssignal (links) und die grafischen Ergebnisse, die eine gute Übereinstimmung zwischen den Drucksondenantworten des 2D- und des 3D-Modells zeigen (rechts).

Um ihre Arbeit voranzutreiben, nutzten Wen und sein Team COMSOL Multiphysics zur Simulation und Optimierung von Pulse-Echo- und Pitch-Catch-Tests. Ihre Pulse-Echo-Simulation stellt eine ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethode dar, bei der Ultraschallimpulswellen ausgesendet werden, um Materialfehler zu identifizieren oder die reflektierten Wellenformen zu analysieren und daraus Informationen zu gewinnen. Die Simulation der beiden Prüfverfahren in COMSOL Multiphysics ermöglicht eine effizientere Erfassung der Daten aus den Ultraschallimpulswellen, und die Modellierung des Wandlers schont Ressourcen und optimiert gleichzeitig das Design.

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