【摘(zhāi)要】通(tōng)過(guò)icemcfd軟件将(jiāng)局部(bù)截面變爲(wèi)橢圓形的(de)異徑(jìng)導流筒進行了(le)三維(wéi)建模，使用fluent對不(bú)同入口速(sù)度下的流線場與速度分布進(jìn)行仿真計算，建(jiàn)立了(le)不同結構(gòu)的導(dǎo)流(liú)筒所适(shì)用的(de)速度範(fàn)圍(wéi).結果表(biǎo)明(míng)，速度的大小和橢圓(yuán)截面離心率對(duì)流場(chǎng)産生的影(yǐng)響較(jiào)大.當速度(dù)減小(xiǎo)或離心率變大時(shí)，導流筒(tǒng)尾部(bù)漸擴管容(róng)易發(fā)生(shēng)回流，緻(zhì)使流場紊(wěn)亂.本(běn)研究能爲(wèi)橢圓(yuán)形管道電磁流(liú)量計(jì)的結構設計提供參考方(fāng)案，爲設(shè)計合(hé)理的導流(liú)筒提供(gòng)理論依據(jù).
　　電磁(cí)流量(liàng)計 是工業(yè)過程中(zhōng)用于計(jì)量導電性流(liú)體(tǐ)體積流量(liàng)的儀表［1］，當前國内使(shǐ)用大多電(diàn)磁流(liú)量計(jì)爲圓(yuán)形截(jié)面導流筒.然而，電磁流量計對被測管道(dào)内的(de)流場有(yǒu)一定的(de)要求，流場(chǎng)的不穩定會使得(dé)流(liú)量計示(shì)值(zhí)不穩(wěn)定，緻使測量誤(wù)差加大［2－3］.爲(wèi)了解(jiě)決這些問題，本(běn)文提出橢圓(yuán)形截面管(guǎn)道(dào)設計方案(àn).
　　針對(duì)橫截面爲(wèi)不同(tóng)離心(xīn)率橢(tuǒ)圓形(xíng)的導(dǎo)流筒，對在不同入口速度下流(liú)場的流動性與(yǔ)速度分布進行(háng)fluent仿真，欲爲合理(lǐ)的導流筒(tǒng)提供理論(lùn)依(yī)據.
1異徑(jìng)管結(jié)構的電磁(cí)理論(lùn)分析
　　電磁(cí)流量計是基于(yú)法拉(lā)第電磁感應定律而開發(fā)的計(jì)量(liàng)儀(yí)表［8］.通(tōng)電後(hòu)的勵磁線圈在導流(liú)筒垂(chuí)直方(fāng)位産(chǎn)生磁(cí)感應強度爲Ｂ的(de)工作(zuò)磁場，待導(dǎo)電流(liú)體穿過時(shí)，在液(yè)體兩(liǎng)側産生感應電(diàn)動勢(shì)Ｅ，通過對相應的(de)電動勢進行信(xìn)号處(chù)理而實現(xiàn)體(tǐ)積流量的準(zhǔn)确測量.感(gǎn)應(yīng)電(diàn)動勢(shì)大小爲
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
　　式(shì)（1）中：Ｂ爲工(gōng)作磁場(chǎng)中的(de)磁感(gǎn)應強(qiáng)度；Ｖ爲(wèi)導(dǎo)電(diàn)液體(tǐ)流速(sù)；Ｄ爲測量導(dǎo)管内徑(jìng).
　　導(dǎo)電流(liú)體的速(sù)度Ｖ與工(gōng)作磁(cí)場内(nèi)的磁(cí)感(gǎn)應強度(dù)Ｂ都是(shì)有方向(xiàng)性(xìng)的(de)矢(shǐ)量，但各質點的(de)速度爲非(fēi)均勻分布，當流體的(de)流速很小(xiǎo)時，會(huì)産生(shēng)很小感應(yīng)電動勢，與(yǔ)噪音(yīn)混合後使得測量誤(wù)差增(zēng)大，從而影(yǐng)響(xiǎng)到設備(bèi)的穩定性和可(kě)靠性.其中Ｅ的數(shù)值由電(diàn)極(jí)測量，單位(wèi)時間内管道流(liú)量(liàng)計(jì)算公(gōng)式爲

　　在電磁流(liú)量計的勵(lì)磁線(xiàn)圈中(zhōng)，電流爲Ｉ，匝(zā)數爲Ｎ，穿過(guò)工作區域的磁路長(zhǎng)度均(jun1)值(zhí)爲Ｌ，可得(dé)磁阻Ｒm與磁(cí)通勢(shì)Ｆ爲

　　式中(zhōng)Ｓ爲(wèi)磁路(lù)的平均面積，μ爲(wèi)介(jiè)質磁導(dǎo)率.由磁場(chǎng)歐姆定律(lǜ)［9］可得磁(cí)通(tōng)量f

　　由（6）式可(kě)知，磁感應強度Ｂ與磁(cí)路長(zhǎng)度平(píng)均值Ｌ成反(fǎn)比，與通過勵磁線圈的電(diàn)流Ｉ成(chéng)正比.相比起均勻的(de)圓形管道(dào)，橢圓導(dǎo)流(liú)筒内(nèi)的工(gōng)作磁場縮(suō)小了(le)Ｌ值(zhí)，在産生同等磁感應強(qiáng)度Ｂ的條(tiáo)件(jiàn)下，勵(lì)磁線(xiàn)圈中的電(diàn)流将小于前者(zhě)，從而(ér)可降(jiàng)低電磁流量(liàng)計(jì)的功耗.
2fluent模(mó)型建立與(yǔ)參數設置(zhì)
　　使用(yòng)icemcfd建立(lì)橢圓截面導流(liú)筒的(de)模型(xíng).導流筒(tǒng)的中間(jiān)部分爲橢(tuǒ)圓管(guǎn)，兩側均爲橢圓(yuán)形漸變爲圓形(xíng)的漸(jiàn)擴管(guǎn).導流(liú)筒半長軸與Ｘ軸(zhóu)平行(háng)，長度(dù)35mm，半短(duǎn)軸與Ｙ軸平行，長度28mm，短長(zhǎng)半軸之(zhī)比爲(wèi)4/5，橢(tuǒ)圓(yuán)離心(xīn)率爲0.60，長88mm.兩端漸(jiàn)擴管(guǎn)最外(wài)側圓形(xíng)的(de)半徑爲50mm，各(gè)長81mm.導流(liú)筒(tǒng)總長(zhǎng)250mm.該模(mó)型的(de)對象(xiàng)爲在中(zhōng)間(jiān)直管(guǎn)段具(jù)有(yǒu)均勻磁場分布的(de)橢圓(yuán)截面(miàn)管道的(de)電(diàn)磁流(liú)量計(jì)将導(dǎo)流筒兩端分别定義爲出口與出口.流體在入(rù)口邊界以固定(dìng)速度(dù)垂(chuí)直(zhí)與入(rù)口邊界流入，在(zài)出口(kǒu)邊界自由(yóu)流出，忽略重力(lì).定義其他區域爲壁面，最(zuì)後以(yǐ)四面(miàn)體(tǐ)結構對(duì)模型(xíng)進行網格(gé)劃分(fèn)，如圖1所示(shì).單元格數量爲204萬，網格(gé)質量評(píng)價系數爲：0.65～0.70（2.5%）；0.70～0.90（8.6%）；0.90～1.0（86.2%）.該三維模(mó)型網(wǎng)格質(zhì)量能(néng)夠滿(mǎn)足精(jīng)度和(hé)收(shōu)斂要求(qiú).文中(zhōng)其它結構的三維模(mó)型網(wǎng)格，其(qí)類(lèi)型與上(shàng)述一(yī)緻，網格質(zhì)量基(jī)本相(xiàng)同.

　　設置模型爲ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍(tuān)流模型［10］，模拟對(duì)象爲液體水，仿(páng)真将以入(rù)口流速分(fèn)别(bié)爲小流(liú)速0.1m/ｓ、0.3m/ｓ與(yǔ)大流速5.0m/ｓ的(de)條件(jiàn)下進行.
3速(sù)度場(chǎng)仿真結果分析
　　以不同進(jìn)口速度(dù)對(duì)該結(jié)構導(dǎo)流筒進行(háng)流場仿(páng)真，求解(jiě)後使(shǐ)用軟件提(tí)取數據.由(yóu)于磁(cí)場方向(xiàng)平行于(yú)Ｙ軸，故圖2至圖15是(shì)在(zài)選取了(le)與Ｙ軸(zhóu)垂直的ＸＯＺ坐标平面，并觀(guān)察(chá)速度(dù)雲與(yǔ)流線(xiàn)分布(bù)圖，計算結果如(rú)下(xià).
3.1小流速(sù)下的(de)仿真分(fèn)析
　　取(qǔ)流入速(sù)度爲0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設置(zhì)仿真計算的叠代步數爲300，過程(chéng)中分(fèn)别在第211步(bù)、第186步(bù)時計(jì)算結(jié)果收斂，流(liú)量計(jì)流道(dào)區(qū)域内可視爲(wèi)穩(wěn)态的定(dìng)常流(liú)動.管(guǎn)内速度雲圖如圖2、圖(tú)3，流線圖如圖4、圖(tú)5.


　　由圖2、圖3可(kě)知，在進口速度爲0.1m/ｓ與(yǔ)0.3m/ｓ條件下，速(sù)度雲(yún)圖無明(míng)顯差别，平面(miàn)直管(guǎn)段的(de)速度分(fèn)布(bù)的上(shàng)下對稱(chēng)性(xìng)較高(gāo)，靠管壁(bì)速度小(xiǎo)，中間(jiān)大，出(chū)口流體向兩側(cè)流動(dòng)，中間(jiān)區流(liú)速小(xiǎo).

　　如圖(tú)4、圖5，當(dāng)入口速度(dù)爲0.1m/ｓ時(shí)，末端發(fā)生回流(liú)現象(xiàng)，但中(zhōng)間直管段(duàn)流場平穩(wěn)，沒有受到尾(wěi)部(bù)回流影響.當初始速度增(zēng)加爲(wèi)0.3m/ｓ時尾(wěi)部的回流(liú)減弱.
3.2大流(liú)速下的仿真(zhēn)分析
　　設(shè)置進口(kǒu)速度爲5.0m/ｓ，設置(zhì)仿(páng)真計算的叠代步數爲(wèi)300，過程中在第96步(bù)計算結果(guǒ)受(shòu)斂(liǎn)，可視爲定(dìng)常流(liú)動.速(sù)度(dù)雲圖如圖6.

　　中間(jiān)直管段内(nèi)靠管(guǎn)壁處速(sù)度小，中(zhōng)間大，速度分布的上(shàng)下對(duì)稱性(xìng)較高.在圖(tú)7中，當(dāng)流速增(zēng)加爲5.0m/ｓ時(shí)，中間直管(guǎn)段與尾部(bù)漸擴管的(de)流場非常平穩(wěn)，無回(huí)流(liú)現象.

　　綜合圖(tú)4、圖5、圖(tú)7可見(jiàn)，随着(zhe)流(liú)體速度增加，回流減弱.綜合3.1與3.2，流道域(yù)内均(jun1)爲穩(wěn)态的定常流動，且流(liú)場平(píng)穩，速(sù)度分(fèn)布對(duì)稱性較高(gāo)，故該結構的電磁流量計在大(dà)小流速條(tiáo)件下(xià)的使(shǐ)用均(jun1)是可行的.
4離心(xīn)率對流場(chǎng)的(de)影響
4.1離(lí)心率爲0.8
　　中間橢圓截面直(zhí)管段(duàn)短長半軸之比(bǐ)爲3/5，離心率0.8.分别(bié)定義入口(kǒu)速度(dù)爲0.1m/ｓ、5.0m/ｓ，在(zài)此條件下(xià)使用(yòng)fluent進行(háng)模拟(nǐ)計算(suàn)，過程中分(fèn)别在第263步、192步時(shí)計(jì)算結果收斂(liǎn)，可視爲定(dìng)常流動.結(jié)果如(rú)圖8至(zhì)圖10.


　　入口(kǒu)速度爲0.1m/ｓ時(shí)（圖8、圖(tú)9），中間直管段内靠近但(dàn)不接觸管壁的位置流速(sù)大(dà)，中間小.速(sù)度分布的(de)上下(xià)對稱性(xìng)較高，流(liú)道域尾部出現回流現象，但中(zhōng)間直管(guǎn)端(duān)的流(liú)場依(yī)然平(píng)穩.當入口(kǒu)速(sù)度增加(jiā)至5.0m/ｓ時（圖(tú)10、圖11），中間(jiān)直管(guǎn)段内速度分布基本均勻(yún)，尾部(bù)回流消失，流場整體(tǐ)平穩(wěn).

　　縮徑爲0.8離(lí)心率的橢圓截(jié)面電磁(cí)流(liú)量計(jì)在初始(shǐ)流(liú)速爲(wèi)0.1m/ｓ與5.0m/ｓ條(tiáo)件下均爲(wèi)穩态(tài)流動(dòng)，速度(dù)分布對稱，直管内流(liú)場平穩，那麽該結構導流筒的(de)電磁流量(liàng)計在(zài)大小(xiǎo)流速(sù)條件(jiàn)下的使(shǐ)用(yòng)均是可行的.
4.2離心率(lǜ)爲0.916
　　半(bàn)長軸(zhóu)長35mm，半(bàn)短軸長14mm，短(duǎn)長(zhǎng)半軸之比2/5，離(lí)心率0.916.分别設置(zhì)入口速度在0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的(de)條件下通過fluent進(jìn)行模拟仿真，設(shè)置計算叠(dié)代步(bù)數爲1000，過程中各(gè)點的速(sù)度(dù)值随時間(jiān)産生(shēng)無規(guī)律變(biàn)化，無(wú)法收斂.圖11至圖14爲步(bù)數等于1000時瞬時(shí)結果(guǒ)的抓取.

　　由圖12、圖(tú)13可知(zhī)，當入(rù)口速(sù)度(dù)爲0.1m/ｓ時，導(dǎo)流筒(tǒng)内(nèi)速度分(fèn)布無(wú)明(míng)顯規律(lǜ)，存在(zài)較大的流(liú)場畸變.因爲導流筒兩側(cè)産生(shēng)的(de)感(gǎn)應(yīng)電動勢(shì)與流速成(chéng)正比，且流量計(jì)是根(gēn)據流速(sù)值計算(suàn)出一定時間内(nèi)通過(guò)管道(dào)的體(tǐ)積流量，所以在非穩态流(liú)場條件下流(liú)量(liàng)計檢(jiǎn)測到的是(shì)大小(xiǎo)搖擺(bǎi)不(bú)定(dìng)的感(gǎn)應電動勢(shì)，爲(wèi)體(tǐ)積流量的計算(suàn)造成許多(duō)不确(què)定因素(sù)，還(hái)降低(dī)了計量精度.
　　設(shè)置流(liú)入(rù)速(sù)度爲(wèi)5.0m/ｓ，計算(suàn)過程(chéng)中第(dì)117步收斂，流場可(kě)視爲(wèi)達(dá)到(dào)穩定(dìng)狀(zhuàng)态.如圖(tú)14、圖15所(suǒ)示，流場分(fèn)布平(píng)穩，中(zhōng)間直管段(duàn)内速度場(chǎng)分布(bù)基本(běn)均勻(yún)，與其(qí)它結構(gòu)導流筒(tǒng)在該速(sù)度下(xià)的(de)分布(bù)無明顯區别.綜合(hé)圖12至圖(tú)15可知(zhī)，截面離心(xīn)率變爲0.916時的導(dǎo)流筒在入口速度增(zēng)大到一定(dìng)值後(hòu)，流場(chǎng)穩定.

5不同(tóng)結構導流(liú)筒所适(shì)應的速度區間
　　在完(wán)成(chéng)不同結構(gòu)導流筒在(zài)小(xiǎo)流速與(yǔ)大流速情(qíng)況下(xià)的仿真之後，對(duì)入口流(liú)速分(fèn)别(bié)爲0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的條件下進(jìn)行模拟(nǐ)計(jì)算.以(yǐ)流場(chǎng)速(sù)度分布(bù)爲判(pàn)據，得(dé)出了(le)不同結構(gòu)橢圓(yuán)管所适應的速(sù)度區間.由表1可(kě)知：截面離(lí)心率(lǜ)爲0.600和(hé)0.800的橢圓形(xíng)導流筒的速度(dù)均适用于大流速與小流速，而(ér)截面(miàn)離心率爲(wèi)0.916的導(dǎo)流筒卻不(bú)适用于小流(liú)量(liàng)的條件，當(dāng)該結構導流(liú)筒的入(rù)口流速達到0.8m/ｓ及以上(shàng)時，内部流(liú)場分布才被接(jiē)受.雖橢圓(yuán)變扁(biǎn)，磁路長(zhǎng)度(dù)平均(jun1)值Ｌ減小，緻使所(suǒ)需勵磁電(diàn)流Ｉ減(jiǎn)小，降(jiàng)低了設備(bèi)功耗，但縮(suō)徑量過大會(huì)犧牲測(cè)速量程，導(dǎo)緻量程下(xià)限升高，小(xiǎo)流量的狀(zhuàng)态下(xià)不再适用.

6結論(lùn)
本文針對(duì)局部(bù)變爲橢圓形截(jié)面的異徑導流(liú)筒進行了模(mó)拟(nǐ)仿真計算.得出(chū)結論如(rú)下：
1）減小(xiǎo)磁路(lù)長(zhǎng)度(dù)平均(jun1)值Ｌ，在(zài)産生同等(děng)磁感應強度Ｂ的(de)條件下，可減小(xiǎo)勵磁線(xiàn)圈的電(diàn)流Ｉ，從(cóng)而提升流(liú)量計的靈(líng)敏度(dù)，降低(dī)功(gōng)耗.
2）當橢(tuǒ)圓離心(xīn)率(lǜ)增大(dà)到一定值時，尾(wěi)部漸擴管便會出現明顯的回(huí)流現(xiàn)象，緻使(shǐ)流量計(jì)量(liàng)程下限(xiàn)升高，不(bú)再(zài)适用(yòng)于低(dī)速計量.
3）入(rù)口速度對(duì)管内速度場的影(yǐng)響(xiǎng)頗爲(wèi)重要(yào)，大流(liú)速在導(dǎo)流筒各(gè)部位(wèi)的(de)流場較平穩(wěn)，小流速則(zé)容易(yì)發生回流現象(xiàng)，随着入口(kǒu)速度降(jiàng)低(dī)，回流更顯著.
4）離心率爲0.8的橢圓(yuán)截面(miàn)導流筒(tǒng)可(kě)最(zuì)大(dà)條件下(xià)滿(mǎn)足縮(suō)徑和(hé)流(liú)場要求(qiú)，該尺(chǐ)寸适合在(zài)流量(liàng)計中使用(yòng).

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