摘要(yào)：文中插(chā)入式(shì)電磁流量計 在(zài)非(fēi)對稱溉(gài)場中的用問題。通過gambit前(qián)處理軟(ruǎn)件建(jiàn)立(lì)管道及流量(liàng)計(jì)的物理(lǐ)模型，并利用fluent進(jìn)行管道内水動(dòng)的仿真計(jì)算。選取等(děng)值(zhí)面觀察(chá)管道(dào)内溉體的(de)速度、壓力等物(wù)理量(liàng)的雲圖，失(shī)量圖(tú)等可視化(huà)圖像。通(tōng)過(guò)圖像(xiàng)分析(xī)得出結論(lùn)，直管(guǎn)道部(bù)分的(de)場分布均勻，而(ér)管道轉彎(wān)處的場由于壓力的(de)作用，産生(shēng)了非對稱場。靠近彎(wān)管道内徑(jìng)的水産生了(le)高(gāo)速場(chǎng)，明顯高(gāo)于(yú)外徑(jìng)的水(shuǐ)速(sù)度。因此(cǐ)要在彎(wān)管(guǎn)部分(fèn)進行(háng)多點測量(liàng)，以修正流量計在非(fēi)對稱流場(chǎng)中的(de)測量準度(dù)。
　　随(suí)着(zhe)近些年來(lái)我國流量(liàng)測量(liàng)水平(píng)的發展，越(yuè)來越(yuè)多(duō)種(zhǒng)類的流量計廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。其中(zhōng)，作(zuò)爲電磁(cí)流量計中(zhōng)一個(gè)種類(lèi)的插入式(shì)電磁流量計，由(yóu)于(yú)其(qí)自身結構(gòu)的輕巧，安裝拆(chāi)卸便捷，相比制(zhì)造費用較高，安(ān)拆與維(wéi)修都很不便的(de)普(pǔ)通電(diàn)磁流(liú)量計而言(yán)具有非(fēi)常大的優勢(shì)，從而廣泛(fàn)應用于現在的(de)機械(xiè)工業大口(kǒu)徑管道的流量檢測中。在國際(jì)上，由于目前能(néng)源與(yǔ)環保(bǎo)計量(liàng)方面的(de)需求越(yuè)來越(yuè)大(dà)，如機械(xiè)、化學工業(yè)污水(shuǐ)流量的測量等(děng)，各國家發展插(chā)入式(shì)流量計已(yǐ)經成爲一(yī)種趨(qū)勢。
　　我國的插入(rù)式電磁(cí)流(liú)量計的研(yán)究還(hái)在上升；對于測量精(jīng)度的提高(gāo)和實物的改(gǎi)進(jìn)還有着很大的提升(shēng)空間(jiān)，尤其(qí)是在(zài)管道(dào)排布複雜(zá)、彎管多、角度大(dà)的工(gōng)業現(xiàn)場，即(jí)在非對(duì)稱流場下的(de)應(yīng)用(yòng)還需(xū)做深入(rù)探讨。
１插(chā)入式電磁流量(liàng)計的工作原理(lǐ)
　　與普(pǔ)通(tōng)的(de) 電磁(cí)流量計 原理相(xiàng)同，插(chā)入式電磁(cí)流量計的測量原理同樣是基(jī)宇法(fǎ)拉第(dì)電磁感虛(xū)定(dìng)律。通過(guò)對(duì)目标(biāo)流(liú)場内(nèi)某一點(diǎn)流速(sù)的(de)測，經過(guò)一(yī)系列(liè)計算(suàn)推導後，得(dé)出整個目标流(liú)場(chǎng)的平(píng)均(jun1)流速(sù)。所以說插(chā)入式電磁(cí)流量計是一種點(diǎn)流(liú)速的(de)了流量計。
　　以管(guǎn)道(dào)流速測(cè)量爲(wèi)例，測量流場(chǎng)時(shí)，将流量計以平行Ｚ軸，垂直于xoy面(miàn)方向插(chā)人(rén)管遒内部，感(gǎn)應(yīng)電極(jí)位位(wèi)于流(liú)量計尾端(duān)兩側，與水(shuǐ)流方向(xiàng)保(bǎo)持垂(chuí)直，且(qiě)同屬xoy面。水(shuǐ)流流經流(liú)量計(jì)時，做切割磁感(gǎn)線運(yùn)動，由(yóu)法拉(lā)第電(diàn)磁感應定(dìng)律可知，磁場中會産生電動勢(shì)e=bd`n表示管道(dào)橫截(jié)面平均流速。
流(liú)量q=`n a,其中，a表示管道的橫截面積(jī)，爲定值常數，進(jìn)行如(rú)下(xià)推倒後(hòu)得：

　　可(kě)知(zhī)感(gǎn)應電．動勢e和(hé)流量q是線性關系，與流場内其他(tā)變化(huà)的物埋(mái)無關。即(jí)可以通過(guò)流量(liàng)計對電(diàn)信号的捕捉來實現對(duì)流場流量的檢(jiǎn)測。
2 數(shù)值計算方(fāng)法
fluest軟件主(zhǔ)要包括前處理(lǐ)器gambit和(hé)後赴理器(qì)fluest兩部分，二(èr)者相輔相(xiàng)成，缺一(yī)不(bú)可。
２．１前(qián)處理gambit建模
　　仿真計算(suàn)前，首先進(jìn)行仿真(zhēn)的前處(chù)理，即(jí)運(yùn)用(yòng) gambit幾何(hé)建模(mó)，之後對所建模進行(háng)網格(gé)的劃分和生成(chéng)，誰知完邊(biān)界條(tiáo)件後(hòu)輸出mesh文件(jiàn)。把mesh文件導入(rù)到(dào)fluent中進行流體仿(páng)真計算(suàn)。
2.2後處理fluent仿真計算(suàn)
　　求解(jiě)計算有以下幾(jǐ)個步(bù)驟：檢查導入模(mó)型的(de)網格，選擇(zé)計算模定(dìng)義流體材料性(xìng)質，設置(zhì)邊界條(tiáo)件，求解方(fāng)法(fǎ)及(jí)其控制(zhì)，叠代計(jì)算，檢(jiǎn)查保存并分析(xī)仿真(zhēn)結果。??
３數值模掀仿真(zhēn)與結(jié)果分析
3.1對(duì)稱流(liú)場直管道(dào)中的(de)仿真模拟(nǐ)
3.1.1圓管(guǎn)流動(dòng)仿真(zhēn)
　　首先在gambit中簡曆(lì)半徑0.1m，長度4m的長(zhǎng)直圓管物(wù)理模(mó)型采用六(liù)面體網格劃分管道(dào)模(mó)型，如圖(tú)1所示(shì)。
定義邊界條件後輸出mesh文(wén)件，啓動fluent仿真計算。
　　叠(dié)代計算後，查看結果，通過圖1可(kě)以看出圓(yuán)管内(nèi)的速(sù)度值(zhí)程同心圓分布，越靠近中心(xīn)處速度(dù)越大，在(zài)靠近管(guǎn)壁的(de)區域(yù)，速(sù)度(dù)幾乎爲零。管道(dào)内的(de)流速(sù)穩定(dìng)正常。

3.1.2插入式電(diàn)磁流量計(jì)後(hòu)的(de)圓管(guǎn)流動仿(páng)真(zhēn)
　　管道(dào)模型(xíng)依然(rán)選取半徑0.1m，長4m的圓(yuán)管(guǎn)， 流量計 算(suàn)模型爲半徑(jìng)2cm的(de)圓柱(zhù)體。跟(gēn)管道和流量計相比，電極(jí)很小(xiǎo)，對(duì)流場(chǎng)造(zào)成影響(xiǎng)可(kě)以忽(hū)略不(bú)計(jì)，因(yīn)此在(zài)建模(mó)時可以忽略電極，簡化幾(jǐ)何結構。流量(liàng)計(jì)起阻擋水(shuǐ)流作(zuò)用。管(guǎn)道及流量(liàng)計建立模(mó)型圖(tú)如(rú)圖2所(suǒ)示。

　　運用gambit建模(mó)劃分(fèn)網(wǎng)格，其中(zhōng)在體(tǐ)網格的劃(huà)分上(shàng)element選擇hex，type選擇(zé)cooper。管道模型最終劃分成的網格(gé)如圖(tú)3所示。定義(yì)水(shuǐ)流的入口及(jí)出口，流(liú)量(liàng)計模(mó)型位于左側水流入口(kǒu)處1m位置。導入(rù)fluent求解計算。定義(yì)求解器定(dìng)水的(de)流(liú)速設置爲1m/s。叠代計(jì)算後(hòu)，輸出結果圖組(zǔ)。

　　由于(yú)三維(wéi)模型(xíng)的計算結果不(bú)方便查看，所以通過創建(jiàn)電極所在的等值面(miàn)來觀察電極所在區(qū)域周圍的(de)流場(chǎng)，選取(qǔ)z=0.06m平面來輸出(chū)壓力和(hé)速度(dù)等值(zhí)線(xiàn)及雲圖。選擇(zé)速度(dù)雲圖放(fàng)大觀察(chá)，如圖(tú)4所示。

　　根(gēn)據選(xuǎn)取面放(fàng)大後的(de)速度雲圖觀察(chá)可(kě)以(yǐ)看出(chū)，水流(liú)流經(jīng)流量計的時候，兩側(cè)的電(diàn)極周圍(wéi)的(de)流場(chǎng)受圓(yuán)柱繞流影(yǐng)響(xiǎng)，産生了(le)高速(sù)流場(chǎng)，水流無(wú)法很好地貼(tiē)合流(liú)量計(jì)後半段壁(bì)面流(liú)動，緻(zhì)使流(liú)速減小，邊界層(céng)出現(xiàn)分(fèn)離，産生(shēng)尾渦流(liú)區。尾渦區在一(yī)定程度(dù)上破壞了周圍(wéi)流場的穩(wěn)定性(xìng)。
　　由于傳統型插(chā)入式(shì)電(diàn)磁(cí)流量(liàng)計的(de)自身(shēn)形狀不可(kě)避免(miǎn)的會(huì)對所(suǒ)測流場産(chǎn)生一定(dìng)幹擾，因此需(xū)要采用機械工藝(yì)方(fāng)面的(de)設計對其自身(shēn)物理結(jié)構(gòu)進行改良(liáng)。
3.2非對稱流場彎管道(dào)中的(de)仿真(zhēn)模拟
3.2.1非對(duì)稱流(liú)場(chǎng)彎管道中水(shuǐ)流動(dòng)的模(mó)拟
　　根據之前直菅水(shuǐ)流場的模(mó)拟可知，在直管中水(shuǐ)流是均勻穩定的。而管道(dào)相互(hù)連接的彎(wān)管部分其(qí)内部(bù)的流(liú)動會引起很大的壓(yā)力降(jiàng)，對流體流經轉(zhuǎn)彎處後的(de)速(sù)度也會有(yǒu)一定的(de)影響(xiǎng)。
　　保持直管部分與之(zhī)前的(de)尺寸不變(biàn)，彎管處采用半徑(jìng)4倍(bèi)管徑即(jí)0.4m的(de)90°彎管(guǎn)。簡曆物理模型(xíng)，如圖5所示，劃分網(wǎng)格(gé)，設(shè)定邊界(jiè)條件後求解。

　　叠(dié)代計(jì)算後，觀察輸出(chū)的速(sù)度雲圖和(hé)壓力雲圖(tú)，如圖(tú)6和圖(tú)7所(suǒ)示。可以(yǐ)看出(chū)彎管處出(chū)現了(le)壓力降，内(nèi)徑速(sù)度明顯大(dà)于外徑。再(zài)通過(guò)放大的速(sù)度矢(shǐ)量圖(tú)可以看出(chū)，轉彎處的(de)内徑(jìng)高速水流沿外徑流出，并且速(sù)度下降(jiàng)逐漸恢(huī)複轉(zhuǎn)彎錢的速(sù)度，出彎後(hòu)的内(nèi)徑部分(fèn)幾乎無(wú)流速，經過一定(dìng)管長後恢(huī)複勻(yún)速。

所以說彎管(guǎn)部分的流場是(shì)不均勻的，是(shì)非(fēi)對稱(chēng)流場。
3.2.2插入式電磁(cí)流量計後的(de)彎管(guǎn)流動(dòng)仿真(zhēn)
　　在多數現(xiàn)場環(huán)境下，長(zhǎng)直(zhí)管較(jiào)少(shǎo)，短(duǎn)直管(guǎn)居多，然(rán)而(ér)接近(jìn)彎管(guǎn)處的流體(tǐ)分布是(shì)不對稱(chēng)拟合流場(chǎng)，這與對稱流場(chǎng)下的(de)多點流速洩露(lù)及數(shù)據分(fèn)析會(huì)有(yǒu)較大出入，因(yīn)此在彎管(guǎn)部分的檢測要重新(xīn)選取不(bú)同的點(diǎn)進行(háng)檢測(cè)。
　　保留(liú)上一小節中彎管道物理模型(xíng)不變(biàn)，以水(shuǐ)流流(liú)向作(zuò)參考(kǎo)，在靠近彎管入口和(hé)出(chū)口(kǒu)0.1m處分别插(chā)入流量計(jì)模型(xíng)，進行(háng)多次(cì)測量(liàng)，除了(le)流量(liàng)計插入位(wèi)置其餘物(wù)理(lǐ)量保持不變(biàn)。
　　劃分(fèn)網格，網格(gé)類型選擇(zé)六面(miàn)體hex,劃分方法設(shè)置爲cooper即把(bǎ)整個(gè)模(mó)型體依據2指(zhǐ)定的(de)源面來劃(huà)分，設(shè)置網格步長space爲3.設定邊界(jiè)條件，管道入口(kǒu)選擇veocity，水流速設(shè)定爲(wèi)1m/s，出(chū)口選擇outflow，其餘(yú)各邊(biān)默認(rèn)爲壁面wall。輸出網(wǎng)格，導(dǎo)入fluent求解器(qì)進行求解。
　　由于(yú)現場實際(jì)情況(kuàng)中，工(gōng)業(yè)管(guǎn)道會(huì)按照現場需要(yào)進行(háng)安(ān)置排布，即(jí)橫向豎(shù)向多(duō)角度轉彎(wān)，管内(nèi)流體是湍(tuān)流流動，流場(chǎng)基本上(shàng)是不(bú)定常(cháng)的，因(yīn)此在(zài)定義求解(jiě)器時，要用非穩态的求解器進(jìn)行模拟(nǐ)計(jì)算，即在time選(xuǎn)項中選擇(zé)非定常unsteady。其他計算模型設定，管(guǎn)内湍流模(mó)型分(fèn)布方程的離散(sàn)模式設定(dìng)爲k-epsilon即二階迎風差分(fèn)格式，并(bìng)采用(yòng)simplec算(suàn)法進行修(xiū)正。然後定義管(guǎn)道内(nèi)的流(liú)體材(cái)料，本(běn)次(cì)仿(páng)真實驗使(shǐ)用液态水爲管(guǎn)道内(nèi)的流(liú)體。在材料下(xià)拉列表(biǎo)中選擇，water-liquid（h20<1>）邊(biān)界條(tiáo)件(jiàn)，inlet入口(kǒu)邊界條(tiáo)件定義水流速(sù)爲1m/s。湍(tuān)流(liú)強(qiáng)度turbulent intensity和(hé)水力(lì)直徑(jìng)hydraulic diameter選項(xiàng)分别輸入(rù)5和0.04。
設(shè)置求(qiú)解參數，初(chū)始化(huà)及殘差圖(tú)後，保(bǎo)存(cún)文件進(jìn)行叠代計算。
　　叠(dié)代計(jì)算(suàn)後，殘差圖均(jun1)呈收斂狀(zhuàng)态。選(xuǎn)擇z=0.06m平面分(fèn)别觀(guān)察(chá)速(sù)度及(jí)壓力(lì)雲圖。流量(liàng)計在靠近彎管入(rù)口(kǒu)處0.1m的輸出(chū)結果如圖8和9所(suǒ)示。

　　可以(yǐ)看出轉彎處(chù)依舊出現(xiàn)壓力(lì)降，由于壓(yā)力的作用，在水(shuǐ)流在内(nèi)徑(jìng)的速(sù)度大(dà)于外徑，流量計(jì)兩側(cè)産生(shēng)告訴(sù)流場，兩側(cè)電極可(kě)以(yǐ)檢測(cè)到明顯的信号(hào)，但由于内外徑(jìng)流速(sù)的(de)不同，兩(liǎng)電極(jí)所(suǒ)檢(jiǎn)測的(de)信(xìn)号有一(yī)定量(liàng)差，流量計尾部(bù)速度幾乎(hū)爲零(líng)。
再觀察流(liú)量計(jì)在靠(kào)近彎管出(chū)口(kǒu)處0.1m的(de)輸(shū)出結(jié)果組(zǔ)圖，如如(rú)10、圖(tú)11所示(shì)。


　　流量(liàng)計的尾渦(wō)區對水流出彎後的(de)直管(guǎn)部分流場有一(yī)定的影響，流(liú)量計電極兩側所(suǒ)檢測到的信号由于(yú)彎管(guǎn)處壓(yā)力降(jiàng)的作用存在量差，并且速(sù)度要略大于入口處。
　　經(jīng)過以上(shàng)對比(bǐ)實驗(yàn)證明(míng)，需(xū)要在彎(wān)道入(rù)口及出口部分(fèn)選取(qǔ)垂直與xoy面(miàn)不同深度(dù)的點(diǎn)來進(jìn)行測量，從(cóng)而得到流(liú)量計(jì)在非對稱條件(jiàn)下測速(sù)的理想修正(zhèng)函(hán)數。
4結論(lùn)
（1）通過多次(cì)實驗(yàn)，分析(xī)仿真結果(guǒ)，對物理模(mó)型網(wǎng)格的劃分(fèn)精度(dù)及參(cān)數的調整(zhěng)校正(zhèng)，最終(zhōng)使殘(cán)差圖呈現(xiàn)收斂(liǎn)狀态。通(tōng)過對輸(shū)出圖組的(de)觀察分析(xī)，基(jī)本準備(bèi)模拟出(chū)管道中(zhōng)的流場分布，同(tóng)事得出插(chā)入式電磁流(liú)量計對(duì)流場分布(bù)影響(xiǎng)。
（2）由于工業現場(chǎng)幻想彎管道居(jū)多而(ér)長(zhǎng)直管較(jiào)少，因此(cǐ)在(zài)實際測量時考(kǎo)慮到(dào)非對稱(chēng)流場對流(liú)量計測量精(jīng)度影響，需(xū)要在(zài)靠近彎道的不(bú)同點進行(háng)測量以修(xiū)正測(cè)量結(jié)果(guǒ)，保(bǎo)證(zhèng)精度。
（3）由于圓(yuán)柱型的流(liú)量計(jì)的尾(wěi)流對(duì)所測(cè)流場穩定(dìng)性有(yǒu)一定影響(xiǎng)，可以(yǐ)通過(guò)機械(xiè)工藝加工對流量計的外形進(jìn)行改(gǎi)良(liáng)，盡(jìn)可能(néng)減少(shǎo)尾流，保證(zhèng)流場的穩定性。

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