摘(zhai)要：文中(zhong)插入式(shi)電磁流(liu)量計 在(zai)非對稱(cheng)溉場中(zhong)的用問(wen)題。通過(guo)GAMBIT前處理(li)軟件建(jian)立管道(dao)及流量(liang)計的物(wu)理模型(xing)，并利用(yong)FLUENT進行管(guan)道内水(shui)動的仿(pang)真計算(suan)。選取等(deng)值面觀(guan)察管道(dao)内溉體(ti)的速度(du)、壓力等(deng)物理量(liang)的雲圖(tu)，失量圖(tu)等可視(shi)化圖像(xiang)。通過圖(tu)像分析(xi)得出結(jie)論，直管(guan)道部分(fen)的場分(fen)布均勻(yun)，而管道(dao)轉彎處(chu)的場由(you)于壓力(li)的作用(yong)，産生了(le)非對稱(cheng)場。靠近(jin)彎管道(dao)内徑的(de)水産生(sheng)了高速(su)場，明顯(xian)高于外(wai)徑的水(shui)速度。因(yin)此要在(zai)彎管部(bu)分進行(hang)多點測(ce)量，以修(xiu)正流量(liang)計在非(fei)對稱流(liu)場中的(de)測量準(zhun)度。
　　随着(zhe)近些年(nian)來我國(guo)流量測(ce)量水平(ping)的發展(zhan)，越來越(yue)多種類(lei)的流量(liang)計廣泛(fan)應用于(yu)各種行(hang)業。其中(zhong)，作爲電(dian)磁流量(liang)計中一(yi)個種類(lei)的插入(ru)式電磁(ci)流量計(ji)，由于其(qi)自身結(jie)構的輕(qing)巧，安裝(zhuang)拆卸便(bian)捷，相比(bi)制造費(fei)用較高(gao)，安拆與(yu)維修都(dou)很不便(bian)的普通(tong)電磁流(liu)量計而(er)言具有(you)非常大(da)的優勢(shi)，從而廣(guang)泛應用(yong)于現在(zai)的機械(xie)工業大(da)口徑管(guan)道的流(liu)量檢測(ce)中。在國(guo)際上，由(you)于目前(qian)能源與(yu)環保計(ji)量方面(mian)的需求(qiu)越來越(yue)大，如機(ji)械、化學(xue)工業污(wu)水流量(liang)的測量(liang)等，各國(guo)家發展(zhan)插入式(shi)流量計(ji)已經成(cheng)爲一種(zhong)趨勢。
　　我(wo)國的插(cha)入式電(dian)磁流量(liang)計的研(yan)究還在(zai)上升；對(dui)于測量(liang)精度的(de)提高和(he)實物的(de)改進還(hai)有着很(hen)大的提(ti)升空間(jian)，尤其是(shi)在管道(dao)排布複(fu)雜、彎管(guan)多、角度(du)大的工(gong)業現場(chang)，即在非(fei)對稱流(liu)場下的(de)應用還(hai)需做深(shen)入探讨(tao)。
１插入式(shi)電磁流(liu)量計的(de)工作原(yuan)理
　　與普(pu)通的 電(dian)磁流量(liang)計 原理(li)相同，插(cha)入式電(dian)磁流量(liang)計的測(ce)量原理(li)同樣是(shi)基宇法(fa)拉第電(dian)磁感虛(xu)定律。通(tong)過對目(mu)标流場(chang)内某一(yi)點流速(su)的測，經(jing)過一系(xi)列計算(suan)推導後(hou)，得出整(zheng)個目标(biao)流場的(de)平均流(liu)速。所以(yi)說插入(ru)式電磁(ci)流量計(ji)是一種(zhong)點流速(su)的了流(liu)量計。
　　以(yi)管道流(liu)速測量(liang)爲例，測(ce)量流場(chang)時，将流(liu)量計以(yi)平行Ｚ軸(zhou)，垂直于(yu)XOY面方向(xiang)插人管(guan)遒内部(bu)，感應電(dian)極位位(wei)于流量(liang)計尾端(duan)兩側，與(yu)水流方(fang)向保持(chi)垂直，且(qie)同屬XOY面(mian)。水流流(liu)經流量(liang)計時，做(zuo)切割磁(ci)感線運(yun)動，由法(fa)拉第電(dian)磁感應(ying)定律可(ke)知，磁場(chang)中會産(chan)生電動(dong)勢E=BD`n表示(shi)管道橫(heng)截面平(ping)均流速(su)。
流量Q=`n A,其(qi)中，A表示(shi)管道的(de)橫截面(mian)積，爲定(ding)值常數(shu)，進行如(ru)下推倒(dao)後得：

　　可(ke)知感應(ying)電．動勢(shi)E和流量(liang)Q是線性(xing)關系，與(yu)流場内(nei)其他變(bian)化的物(wu)埋無關(guan)。即可以(yi)通過流(liu)量計對(dui)電信号(hao)的捕捉(zhuo)來實現(xian)對流場(chang)流量的(de)檢測。
2 數(shu)值計算(suan)方法
FLUEST軟(ruan)件主要(yao)包括前(qian)處理器(qi)GAMBIT和後赴(fu)理器FLUEST兩(liang)部分，二(er)者相輔(fu)相成，缺(que)一不可(ke)。
２．１前處理(li)GAMBIT建模
　　仿(pang)真計算(suan)前，首先(xian)進行仿(pang)真的前(qian)處理，即(ji)運用 GAMBIT幾(ji)何建模(mo)，之後對(dui)所建模(mo)進行網(wang)格的劃(hua)分和生(sheng)成，誰知(zhi)完邊界(jie)條件後(hou)輸出mesh文(wen)件。把mesh文(wen)件導入(ru)到FLUENT中進(jin)行流體(ti)仿真計(ji)算。
2.2後處(chu)理FLUENT仿真(zhen)計算
　　求(qiu)解計算(suan)有以下(xia)幾個步(bu)驟：檢查(cha)導入模(mo)型的網(wang)格，選擇(ze)計算模(mo)定義流(liu)體材料(liao)性質，設(she)置邊界(jie)條件，求(qiu)解方法(fa)及其控(kong)制，叠代(dai)計算，檢(jian)查保存(cun)并分析(xi)仿真結(jie)果。??
３數值(zhi)模掀仿(pang)真與結(jie)果分析(xi)
3.1對稱流(liu)場直管(guan)道中的(de)仿真模(mo)拟
3.1.1圓管(guan)流動仿(pang)真
　　首先(xian)在GAMBIT中簡(jian)曆半徑(jing)0.1m，長度4m的(de)長直圓(yuan)管物理(li)模型采(cai)用六面(mian)體網格(ge)劃分管(guan)道模型(xing)，如圖1所(suo)示。
定義(yi)邊界條(tiao)件後輸(shu)出mesh文件(jian)，啓動FLUENT仿(pang)真計算(suan)。
　　叠代計(ji)算後，查(cha)看結果(guo)，通過圖(tu)1可以看(kan)出圓管(guan)内的速(su)度值程(cheng)同心圓(yuan)分布，越(yue)靠近中(zhong)心處速(su)度越大(da)，在靠近(jin)管壁的(de)區域，速(su)度幾乎(hu)爲零。管(guan)道内的(de)流速穩(wen)定正常(chang)。

3.1.2插入(ru)式電磁(ci)流量計(ji)後的圓(yuan)管流動(dong)仿真
　　管(guan)道模型(xing)依然選(xuan)取半徑(jing)0.1m，長4m的圓(yuan)管， 流量(liang)計 算模(mo)型爲半(ban)徑2cm的圓(yuan)柱體。跟(gen)管道和(he)流量計(ji)相比，電(dian)極很小(xiao)，對流場(chang)造成影(ying)響可以(yi)忽略不(bu)計，因此(ci)在建模(mo)時可以(yi)忽略電(dian)極，簡化(hua)幾何結(jie)構。流量(liang)計起阻(zu)擋水流(liu)作用。管(guan)道及流(liu)量計建(jian)立模型(xing)圖如圖(tu)2所示。

　　運用GAMBIT建(jian)模劃分(fen)網格，其(qi)中在體(ti)網格的(de)劃分上(shang)Element選擇Hex，Type選(xuan)擇Cooper。管道(dao)模型最(zui)終劃分(fen)成的網(wang)格如圖(tu)3所示。定(ding)義水流(liu)的入口(kou)及出口(kou)，流量計(ji)模型位(wei)于左側(ce)水流入(ru)口處1m位(wei)置。導入(ru)FLUENT求解計(ji)算。定義(yi)求解器(qi)定水的(de)流速設(she)置爲1m/s。叠(die)代計算(suan)後，輸出(chu)結果圖(tu)組。

　　由于(yu)三維模(mo)型的計(ji)算結果(guo)不方便(bian)查看，所(suo)以通過(guo)創建電(dian)極所在(zai)的等值(zhi)面來觀(guan)察電極(ji)所在區(qu)域周圍(wei)的流場(chang)，選取Z=0.06m平(ping)面來輸(shu)出壓力(li)和速度(du)等值線(xian)及雲圖(tu)。選擇速(su)度雲圖(tu)放大觀(guan)察，如圖(tu)4所示。

　　根據(ju)選取面(mian)放大後(hou)的速度(du)雲圖觀(guan)察可以(yi)看出，水(shui)流流經(jing)流量計(ji)的時候(hou)，兩側的(de)電極周(zhou)圍的流(liu)場受圓(yuan)柱繞流(liu)影響，産(chan)生了高(gao)速流場(chang)，水流無(wu)法很好(hao)地貼合(he)流量計(ji)後半段(duan)壁面流(liu)動，緻使(shi)流速減(jian)小，邊界(jie)層出現(xian)分離，産(chan)生尾渦(wo)流區。尾(wei)渦區在(zai)一定程(cheng)度上破(po)壞了周(zhou)圍流場(chang)的穩定(ding)性。
　　由于(yu)傳統型(xing)插入式(shi)電磁流(liu)量計的(de)自身形(xing)狀不可(ke)避免的(de)會對所(suo)測流場(chang)産生一(yi)定幹擾(rao)，因此需(xu)要采用(yong)機械工(gong)藝方面(mian)的設計(ji)對其自(zi)身物理(li)結構進(jin)行改良(liang)。
3.2非對稱(cheng)流場彎(wan)管道中(zhong)的仿真(zhen)模拟
3.2.1非(fei)對稱流(liu)場彎管(guan)道中水(shui)流動的(de)模拟
　　根(gen)據之前(qian)直菅水(shui)流場的(de)模拟可(ke)知，在直(zhi)管中水(shui)流是均(jun)勻穩定(ding)的。而管(guan)道相互(hu)連接的(de)彎管部(bu)分其内(nei)部的流(liu)動會引(yin)起很大(da)的壓力(li)降，對流(liu)體流經(jing)轉彎處(chu)後的速(su)度也會(hui)有一定(ding)的影響(xiang)。
　　保持直(zhi)管部分(fen)與之前(qian)的尺寸(cun)不變，彎(wan)管處采(cai)用半徑(jing)4倍管徑(jing)即0.4m的90°彎(wan)管。簡曆(li)物理模(mo)型，如圖(tu)5所示，劃(hua)分網格(ge)，設定邊(bian)界條件(jian)後求解(jie)。

　　叠代(dai)計算後(hou)，觀察輸(shu)出的速(su)度雲圖(tu)和壓力(li)雲圖，如(ru)圖6和圖(tu)7所示。可(ke)以看出(chu)彎管處(chu)出現了(le)壓力降(jiang)，内徑速(su)度明顯(xian)大于外(wai)徑。再通(tong)過放大(da)的速度(du)矢量圖(tu)可以看(kan)出，轉彎(wan)處的内(nei)徑高速(su)水流沿(yan)外徑流(liu)出，并且(qie)速度下(xia)降逐漸(jian)恢複轉(zhuan)彎錢的(de)速度，出(chu)彎後的(de)内徑部(bu)分幾乎(hu)無流速(su)，經過一(yi)定管長(zhang)後恢複(fu)勻速。

所(suo)以說彎(wan)管部分(fen)的流場(chang)是不均(jun)勻的，是(shi)非對稱(cheng)流場。
3.2.2插(cha)入式電(dian)磁流量(liang)計後的(de)彎管流(liu)動仿真(zhen)
　　在多數(shu)現場環(huan)境下，長(zhang)直管較(jiao)少，短直(zhi)管居多(duo)，然而接(jie)近彎管(guan)處的流(liu)體分布(bu)是不對(dui)稱拟合(he)流場，這(zhe)與對稱(cheng)流場下(xia)的多點(dian)流速洩(xie)露及數(shu)據分析(xi)會有較(jiao)大出入(ru)，因此在(zai)彎管部(bu)分的檢(jian)測要重(zhong)新選取(qu)不同的(de)點進行(hang)檢測。
　　保(bao)留上一(yi)小節中(zhong)彎管道(dao)物理模(mo)型不變(bian)，以水流(liu)流向作(zuo)參考，在(zai)靠近彎(wan)管入口(kou)和出口(kou)0.1m處分别(bie)插入流(liu)量計模(mo)型，進行(hang)多次測(ce)量，除了(le)流量計(ji)插入位(wei)置其餘(yu)物理量(liang)保持不(bu)變。
　　劃分(fen)網格，網(wang)格類型(xing)選擇六(liu)面體Hex,劃(hua)分方法(fa)設置爲(wei)Cooper即把整(zheng)個模型(xing)體依據(ju)2指定的(de)源面來(lai)劃分，設(she)置網格(ge)步長Space爲(wei)3.設定邊(bian)界條件(jian)，管道入(ru)口選擇(ze)VEOCITY，水流速(su)設定爲(wei)1m/s，出口選(xuan)擇OUTFLOW，其餘(yu)各邊默(mo)認爲壁(bi)面WALL。輸出(chu)網格，導(dao)入FLUENT求解(jie)器進行(hang)求解。
　　由(you)于現場(chang)實際情(qing)況中，工(gong)業管道(dao)會按照(zhao)現場需(xu)要進行(hang)安置排(pai)布，即橫(heng)向豎向(xiang)多角度(du)轉彎，管(guan)内流體(ti)是湍流(liu)流動，流(liu)場基本(ben)上是不(bu)定常的(de)，因此在(zai)定義求(qiu)解器時(shi)，要用非(fei)穩态的(de)求解器(qi)進行模(mo)拟計算(suan)，即在Time選(xuan)項中選(xuan)擇非定(ding)常Unsteady。其他(ta)計算模(mo)型設定(ding)，管内湍(tuan)流模型(xing)分布方(fang)程的離(li)散模式(shi)設定爲(wei)k-epsilon即二階(jie)迎風差(cha)分格式(shi)，并采用(yong)SIMPLEC算法進(jin)行修正(zheng)。然後定(ding)義管道(dao)内的流(liu)體材料(liao)，本次仿(pang)真實驗(yan)使用液(ye)态水爲(wei)管道内(nei)的流體(ti)。在材料(liao)下拉列(lie)表中選(xuan)擇，water-liquid（h20<1>）邊界(jie)條件，inlet入(ru)口邊界(jie)條件定(ding)義水流(liu)速爲1m/s。湍(tuan)流強度(du)Turbulent Intensity和水力(li)直徑Hydraulic Diameter選(xuan)項分别(bie)輸入5和(he)0.04。
設置求(qiu)解參數(shu)，初始化(hua)及殘差(cha)圖後，保(bao)存文件(jian)進行叠(die)代計算(suan)。
　　叠代計(ji)算後，殘(can)差圖均(jun)呈收斂(lian)狀态。選(xuan)擇Z=0.06m平面(mian)分别觀(guan)察速度(du)及壓力(li)雲圖。流(liu)量計在(zai)靠近彎(wan)管入口(kou)處0.1m的輸(shu)出結果(guo)如圖8和(he)9所示。

　　可(ke)以看出(chu)轉彎處(chu)依舊出(chu)現壓力(li)降，由于(yu)壓力的(de)作用，在(zai)水流在(zai)内徑的(de)速度大(da)于外徑(jing)，流量計(ji)兩側産(chan)生告訴(su)流場，兩(liang)側電極(ji)可以檢(jian)測到明(ming)顯的信(xin)号，但由(you)于内外(wai)徑流速(su)的不同(tong)，兩電極(ji)所檢測(ce)的信号(hao)有一定(ding)量差，流(liu)量計尾(wei)部速度(du)幾乎爲(wei)零。
再觀(guan)察流量(liang)計在靠(kao)近彎管(guan)出口處(chu)0.1m的輸出(chu)結果組(zu)圖，如如(ru)10、圖11所示(shi)。


　　流量計(ji)的尾渦(wo)區對水(shui)流出彎(wan)後的直(zhi)管部分(fen)流場有(you)一定的(de)影響，流(liu)量計電(dian)極兩側(ce)所檢測(ce)到的信(xin)号由于(yu)彎管處(chu)壓力降(jiang)的作用(yong)存在量(liang)差，并且(qie)速度要(yao)略大于(yu)入口處(chu)。
　　經過以(yi)上對比(bi)實驗證(zheng)明，需要(yao)在彎道(dao)入口及(ji)出口部(bu)分選取(qu)垂直與(yu)XOY面不同(tong)深度的(de)點來進(jin)行測量(liang)，從而得(de)到流量(liang)計在非(fei)對稱條(tiao)件下測(ce)速的理(li)想修正(zheng)函數。
4結(jie)論
（1）通過(guo)多次實(shi)驗，分析(xi)仿真結(jie)果，對物(wu)理模型(xing)網格的(de)劃分精(jing)度及參(can)數的調(diao)整校正(zheng)，最終使(shi)殘差圖(tu)呈現收(shou)斂狀态(tai)。通過對(dui)輸出圖(tu)組的觀(guan)察分析(xi)，基本準(zhun)備模拟(ni)出管道(dao)中的流(liu)場分布(bu)，同事得(de)出插入(ru)式電磁(ci)流量計(ji)對流場(chang)分布影(ying)響。
（2）由于(yu)工業現(xian)場幻想(xiang)彎管道(dao)居多而(er)長直管(guan)較少，因(yin)此在實(shi)際測量(liang)時考慮(lü)到非對(dui)稱流場(chang)對流量(liang)計測量(liang)精度影(ying)響，需要(yao)在靠近(jin)彎道的(de)不同點(dian)進行測(ce)量以修(xiu)正測量(liang)結果，保(bao)證精度(du)。
（3）由于圓(yuan)柱型的(de)流量計(ji)的尾流(liu)對所測(ce)流場穩(wen)定性有(you)一定影(ying)響，可以(yi)通過機(ji)械工藝(yi)加工對(dui)流量計(ji)的外形(xing)進行改(gai)良，盡可(ke)能減少(shao)尾流，保(bao)證流場(chang)的穩定(ding)性。

以上(shang)内容來(lai)源于網(wang)絡，如有(you)侵權請(qing)聯系即(ji)删除!