摘要：文中(zhong)插入式電(dian)磁流量計(jì) 在非對稱(cheng)溉場中的(de)用問題。通(tong)過GAMBIT前處理(li)軟件建立(lì)管道及流(liu)量計的物(wù)理模型，并(bìng)利用FLUENT進行(hang)管道内水(shuǐ)動的仿真(zhēn)計算。選取(qǔ)等值面觀(guān)察管道内(nei)溉體的速(sù)度、壓力等(děng)物理量的(de)雲圖，失量(liang)圖等可視(shi)化圖像。通(tōng)過圖像分(fen)析得出結(jié)論，直管道(dào)部分的場(chang)分布均勻(yún)，而管道轉(zhuan)彎處的場(chǎng)由于壓力(li)的作用，産(chan)生了非對(dui)稱場。靠近(jìn)彎管道内(nèi)徑的水産(chǎn)生了高速(su)場，明顯高(gāo)于外徑的(de)水速度。因(yin)此要在彎(wān)管部分進(jin)行多點測(cè)量，以修正(zheng)流量計在(zài)非對稱流(liu)場中的測(cè)量準度。
　　随(suí)着近些年(nian)來我國流(liu)量測量水(shui)平的發展(zhǎn)，越來越多(duo)種類的流(liú)量計廣泛(fan)應用于各(gè)種行業。其(qí)中，作爲電(diàn)磁流量計(jì)中一個種(zhong)類的插入(ru)式電磁流(liu)量計，由于(yú)其自身結(jie)構的輕巧(qiao)，安裝拆卸(xiè)便捷，相比(bi)制造費用(yòng)較高，安拆(chai)與維修都(dou)很不便的(de)普通電磁(cí)流量計而(er)言具有非(fēi)常大的優(you)勢，從而廣(guǎng)泛應用于(yu)現在的機(ji)械工業大(dà)口徑管道(dào)的流量檢(jiǎn)測中。在國(guó)際上，由于(yú)目前能源(yuan)與環保計(jì)量方面的(de)需求越來(lai)越大，如機(ji)械、化學工(gōng)業污水流(liú)量的測量(liàng)等，各國家(jia)發展插入(rù)式流量計(jì)已經成爲(wei)一種趨勢(shì)。
　　我國的插(cha)入式電磁(ci)流量計的(de)研究還在(zai)上升；對于(yu)測量精度(du)的提高和(hé)實物的改(gai)進還有着(zhe)很大的提(ti)升空間，尤(yóu)其是在管(guǎn)道排布複(fú)雜、彎管多(duō)、角度大的(de)工業現場(chǎng)，即在非對(duì)稱流場下(xià)的應用還(hai)需做深入(ru)探讨。
１插入(ru)式電磁流(liu)量計的工(gōng)作原理
　　與(yu)普通的 電(dian)磁流量計(ji) 原理相同(tóng)，插入式電(diàn)磁流量計(jì)的測量原(yuán)理同樣是(shì)基宇法拉(lā)第電磁感(gǎn)虛定律。通(tōng)過對目标(biao)流場内某(mou)一點流速(sù)的測，經過(guo)一系列計(jì)算推導後(hòu)，得出整個(ge)目标流場(chǎng)的平均流(liu)速。所以說(shuō)插入式電(dian)磁流量計(jì)是一種點(dian)流速的了(le)流量計。
　　以(yǐ)管道流速(su)測量爲例(li)，測量流場(chang)時，将流量(liàng)計以平行(hang)Ｚ軸，垂直于(yú)XOY面方向插(cha)人管遒内(nei)部，感應電(diàn)極位位于(yu)流量計尾(wei)端兩側，與(yǔ)水流方向(xiàng)保持垂直(zhí)，且同屬XOY面(mian)。水流流經(jīng)流量計時(shi)，做切割磁(ci)感線運動(dong)，由法拉第(dì)電磁感應(ying)定律可知(zhī)，磁場中會(huì)産生電動(dong)勢E=BD`n表示管(guǎn)道橫截面(mian)平均流速(sù)。
流量Q=`n A,其中(zhōng)，A表示管道(dào)的橫截面(mian)積，爲定值(zhí)常數，進行(hang)如下推倒(dao)後得：

　　可知(zhī)感應電．動(dòng)勢E和流量(liang)Q是線性關(guān)系，與流場(chǎng)内其他變(bian)化的物埋(mai)無關。即可(ke)以通過流(liu)量計對電(dian)信号的捕(bǔ)捉來實現(xian)對流場流(liu)量的檢測(ce)。
2 數值計算(suàn)方法
FLUEST軟件(jiàn)主要包括(kuò)前處理器(qì)GAMBIT和後赴理(lǐ)器FLUEST兩部分(fèn)，二者相輔(fǔ)相成，缺一(yi)不可。
２．１前處(chù)理GAMBIT建模
　　仿(pang)真計算前(qian)，首先進行(háng)仿真的前(qian)處理，即運(yun)用 GAMBIT幾何建(jian)模，之後對(dui)所建模進(jìn)行網格的(de)劃分和生(shēng)成，誰知完(wán)邊界條件(jiàn)後輸出mesh文(wén)件。把mesh文件(jiàn)導入到FLUENT中(zhōng)進行流體(tǐ)仿真計算(suan)。
2.2後處理FLUENT仿(pang)真計算
　　求(qiu)解計算有(you)以下幾個(ge)步驟：檢查(chá)導入模型(xing)的網格，選(xuǎn)擇計算模(mo)定義流體(tǐ)材料性質(zhi)，設置邊界(jiè)條件，求解(jie)方法及其(qí)控制，叠代(dài)計算，檢查(chá)保存并分(fen)析仿真結(jié)果。??
３數值模(mo)掀仿真與(yǔ)結果分析(xī)
3.1對稱流場(chang)直管道中(zhōng)的仿真模(mo)拟
3.1.1圓管流(liu)動仿真
　　首(shou)先在GAMBIT中簡(jian)曆半徑0.1m，長(zhǎng)度4m的長直(zhí)圓管物理(li)模型采用(yong)六面體網(wang)格劃分管(guan)道模型，如(rú)圖1所示。
定(dìng)義邊界條(tiáo)件後輸出(chu)mesh文件，啓動(dong)FLUENT仿真計算(suàn)。
　　叠代計算(suan)後，查看結(jie)果，通過圖(tú)1可以看出(chu)圓管内的(de)速度值程(chéng)同心圓分(fen)布，越靠近(jin)中心處速(sù)度越大，在(zài)靠近管壁(bì)的區域，速(sù)度幾乎爲(wèi)零。管道内(nèi)的流速穩(wěn)定正常。

3.1.2插(cha)入式電磁(cí)流量計後(hou)的圓管流(liú)動仿真
　　管(guan)道模型依(yī)然選取半(ban)徑0.1m，長4m的圓(yuan)管， 流量計(jì) 算模型爲(wei)半徑2cm的圓(yuán)柱體。跟管(guan)道和流量(liàng)計相比，電(dian)極很小，對(duì)流場造成(cheng)影響可以(yi)忽略不計(jì)，因此在建(jian)模時可以(yǐ)忽略電極(jí)，簡化幾何(he)結構。流量(liàng)計起阻擋(dǎng)水流作用(yong)。管道及流(liu)量計建立(li)模型圖如(rú)圖2所示。

　　運(yùn)用GAMBIT建模劃(hua)分網格，其(qí)中在體網(wang)格的劃分(fèn)上Element選擇Hex，Type選(xuan)擇Cooper。管道模(mo)型最終劃(huà)分成的網(wang)格如圖3所(suo)示。定義水(shuǐ)流的入口(kou)及出口，流(liú)量計模型(xing)位于左側(ce)水流入口(kǒu)處1m位置。導(dao)入FLUENT求解計(ji)算。定義求(qiu)解器定水(shuǐ)的流速設(shè)置爲1m/s。叠代(dài)計算後，輸(shū)出結果圖(tú)組。

　　由(yóu)于三維模(mo)型的計算(suan)結果不方(fang)便查看，所(suǒ)以通過創(chuàng)建電極所(suǒ)在的等值(zhí)面來觀察(chá)電極所在(zai)區域周圍(wei)的流場，選(xuǎn)取Z=0.06m平面來(lai)輸出壓力(lì)和速度等(děng)值線及雲(yún)圖。選擇速(sù)度雲圖放(fàng)大觀察，如(rú)圖4所示。

　　根據選取(qu)面放大後(hòu)的速度雲(yún)圖觀察可(ke)以看出，水(shuǐ)流流經流(liu)量計的時(shi)候，兩側的(de)電極周圍(wei)的流場受(shòu)圓柱繞流(liu)影響，産生(sheng)了高速流(liu)場，水流無(wu)法很好地(di)貼合流量(liàng)計後半段(duan)壁面流動(dong)，緻使流速(sù)減小，邊界(jiè)層出現分(fen)離，産生尾(wei)渦流區。尾(wei)渦區在一(yi)定程度上(shang)破壞了周(zhōu)圍流場的(de)穩定性。
　　由(yóu)于傳統型(xíng)插入式電(diàn)磁流量計(jì)的自身形(xing)狀不可避(bì)免的會對(dui)所測流場(chang)産生一定(ding)幹擾，因此(ci)需要采用(yong)機械工藝(yì)方面的設(she)計對其自(zì)身物理結(jie)構進行改(gai)良。
3.2非對稱(chēng)流場彎管(guǎn)道中的仿(pang)真模拟
3.2.1非(fēi)對稱流場(chǎng)彎管道中(zhōng)水流動的(de)模拟
　　根據(ju)之前直菅(jian)水流場的(de)模拟可知(zhi)，在直管中(zhōng)水流是均(jun1)勻穩定的(de)。而管道相(xiàng)互連接的(de)彎管部分(fen)其内部的(de)流動會引(yin)起很大的(de)壓力降，對(dui)流體流經(jing)轉彎處後(hòu)的速度也(yě)會有一定(dìng)的影響。
　　保(bao)持直管部(bu)分與之前(qian)的尺寸不(bú)變，彎管處(chu)采用半徑(jing)4倍管徑即(jí)0.4m的90°彎管。簡(jiǎn)曆物理模(mo)型，如圖5所(suǒ)示，劃分網(wǎng)格，設定邊(biān)界條件後(hòu)求解。

　　叠代(dài)計算後，觀(guan)察輸出的(de)速度雲圖(tú)和壓力雲(yún)圖，如圖6和(he)圖7所示。可(kě)以看出彎(wan)管處出現(xiàn)了壓力降(jiàng)，内徑速度(du)明顯大于(yú)外徑。再通(tong)過放大的(de)速度矢量(liàng)圖可以看(kan)出，轉彎處(chu)的内徑高(gao)速水流沿(yán)外徑流出(chu)，并且速度(du)下降逐漸(jiàn)恢複轉彎(wan)錢的速度(du)，出彎後的(de)内徑部分(fèn)幾乎無流(liu)速，經過一(yi)定管長後(hou)恢複勻速(su)。

所以說彎(wān)管部分的(de)流場是不(bu)均勻的，是(shi)非對稱流(liú)場。
3.2.2插入式(shi)電磁流量(liang)計後的彎(wān)管流動仿(páng)真
　　在多數(shu)現場環境(jìng)下，長直管(guan)較少，短直(zhi)管居多，然(rán)而接近彎(wan)管處的流(liú)體分布是(shi)不對稱拟(nǐ)合流場，這(zhe)與對稱流(liu)場下的多(duo)點流速洩(xie)露及數據(ju)分析會有(yǒu)較大出入(ru)，因此在彎(wān)管部分的(de)檢測要重(zhong)新選取不(bú)同的點進(jin)行檢測。
　　保(bǎo)留上一小(xiao)節中彎管(guan)道物理模(mo)型不變，以(yǐ)水流流向(xiàng)作參考，在(zai)靠近彎管(guǎn)入口和出(chu)口0.1m處分别(bie)插入流量(liàng)計模型，進(jìn)行多次測(cè)量，除了流(liú)量計插入(rù)位置其餘(yú)物理量保(bǎo)持不變。
　　劃(hua)分網格，網(wǎng)格類型選(xuǎn)擇六面體(ti)Hex,劃分方法(fa)設置爲Cooper即(jí)把整個模(mo)型體依據(jù)2指定的源(yuán)面來劃分(fen)，設置網格(ge)步長Space爲3.設(she)定邊界條(tiáo)件，管道入(rù)口選擇VEOCITY，水(shuǐ)流速設定(dìng)爲1m/s，出口選(xuan)擇OUTFLOW，其餘各(ge)邊默認爲(wei)壁面WALL。輸出(chu)網格，導入(rù)FLUENT求解器進(jìn)行求解。
　　由(yóu)于現場實(shí)際情況中(zhong)，工業管道(dao)會按照現(xiàn)場需要進(jin)行安置排(pai)布，即橫向(xiang)豎向多角(jiǎo)度轉彎，管(guǎn)内流體是(shì)湍流流動(dòng)，流場基本(běn)上是不定(ding)常的，因此(ci)在定義求(qiu)解器時，要(yao)用非穩态(tài)的求解器(qi)進行模拟(nǐ)計算，即在(zài)Time選項中選(xuǎn)擇非定常(cháng)Unsteady。其他計算(suàn)模型設定(ding)，管内湍流(liu)模型分布(bu)方程的離(li)散模式設(shè)定爲k-epsilon即二(er)階迎風差(cha)分格式，并(bìng)采用SIMPLEC算法(fǎ)進行修正(zheng)。然後定義(yi)管道内的(de)流體材料(liào)，本次仿真(zhen)實驗使用(yong)液态水爲(wèi)管道内的(de)流體。在材(cái)料下拉列(lie)表中選擇(zé)，water-liquid（h20<1>）邊界條件(jiàn)，inlet入口邊界(jiè)條件定義(yì)水流速爲(wèi)1m/s。湍流強度(dù)Turbulent Intensity和水力直(zhi)徑Hydraulic Diameter選項分(fèn)别輸入5和(he)0.04。
設置求解(jie)參數，初始(shǐ)化及殘差(chà)圖後，保存(cún)文件進行(hang)叠代計算(suan)。
　　叠代計算(suàn)後，殘差圖(tu)均呈收斂(liǎn)狀态。選擇(ze)Z=0.06m平面分别(bié)觀察速度(du)及壓力雲(yun)圖。流量計(ji)在靠近彎(wān)管入口處(chu)0.1m的輸出結(jié)果如圖8和(he)9所示。

　　可以(yi)看出轉彎(wan)處依舊出(chu)現壓力降(jiang)，由于壓力(li)的作用，在(zai)水流在内(nèi)徑的速度(du)大于外徑(jìng)，流量計兩(liang)側産生告(gào)訴流場，兩(liang)側電極可(kě)以檢測到(dao)明顯的信(xin)号，但由于(yú)内外徑流(liú)速的不同(tong)，兩電極所(suo)檢測的信(xin)号有一定(dìng)量差，流量(liàng)計尾部速(sù)度幾乎爲(wèi)零。
再觀察(chá)流量計在(zài)靠近彎管(guǎn)出口處0.1m的(de)輸出結果(guǒ)組圖，如如(rú)10、圖11所示。


　　流(liú)量計的尾(wěi)渦區對水(shuǐ)流出彎後(hou)的直管部(bu)分流場有(yǒu)一定的影(yǐng)響，流量計(jì)電極兩側(ce)所檢測到(dao)的信号由(you)于彎管處(chu)壓力降的(de)作用存在(zài)量差，并且(qie)速度要略(lue)大于入口(kou)處。
　　經過以(yǐ)上對比實(shí)驗證明，需(xu)要在彎道(dao)入口及出(chu)口部分選(xuǎn)取垂直與(yǔ)XOY面不同深(shen)度的點來(lái)進行測量(liang)，從而得到(dao)流量計在(zài)非對稱條(tiao)件下測速(su)的理想修(xiu)正函數。
4結(jie)論
（1）通過多(duō)次實驗，分(fen)析仿真結(jié)果，對物理(lǐ)模型網格(ge)的劃分精(jīng)度及參數(shù)的調整校(xiao)正，最終使(shi)殘差圖呈(cheng)現收斂狀(zhuang)态。通過對(dui)輸出圖組(zu)的觀察分(fen)析，基本準(zhǔn)備模拟出(chu)管道中的(de)流場分布(bù)，同事得出(chu)插入式電(diàn)磁流量計(ji)對流場分(fen)布影響。
（2）由(yóu)于工業現(xian)場幻想彎(wān)管道居多(duo)而長直管(guan)較少，因此(ci)在實際測(cè)量時考慮(lǜ)到非對稱(cheng)流場對流(liú)量計測量(liàng)精度影響(xiang)，需要在靠(kào)近彎道的(de)不同點進(jin)行測量以(yi)修正測量(liàng)結果，保證(zhèng)精度。
（3）由于(yu)圓柱型的(de)流量計的(de)尾流對所(suǒ)測流場穩(wen)定性有一(yī)定影響，可(ke)以通過機(jī)械工藝加(jia)工對流量(liàng)計的外形(xing)進行改良(liáng)，盡可能減(jian)少尾流，保(bǎo)證流場的(de)穩定性。

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