摘要(yào)：采用fluent軟(ruǎn)件(jiàn)對(duì)圓(yuán)形截面漸(jiàn)變爲矩形截面的異(yì)徑管(guǎn)道流(liú)場進行蘭維建(jiàn)模和(hé)數值仿真(zhēn)，分析(xī)了橫截(jié)面收縮(suō)異徑(jìng)管的(de)速度(dù)分布(bù)和流(liú)線，建(jiàn)立(lì)了矩形截面(miàn)部分的長度、寬(kuān)度、高(gāo)度與(yǔ)進出(chū)口壓(yā)力損失和(hé)中心截面平均(jun1)速度(dù)之(zhī)間的關(guān)系.研(yán)究表明，中(zhōng)間矩形截面部(bù)分的寬度和高(gāo)度對進出(chū)口壓(yā)損和中心截面(miàn)平均(jun1)速度影響較大，同時橫截(jié)面積收縮(suō)比例太大會導(dǎo)緻流(liú)場紊(wěn)亂和回流(liú)現象，從而爲(wèi)合(hé)理設計局(jú)部橫(héng)截面積收縮的電磁流量測量管道(dào)提供了理(lǐ)論依據.
　　目(mù)前國内生産的電磁流量計(jì) 測(cè)量管道多(duō)爲(wèi)均勻圓(yuán)管，應用領(lǐng)域越(yuè)來越(yuè)廣.然而(ér)電(diàn)磁流量計(jì)在原(yuán)理上(shàng)要求管道(dào)流速爲中心軸對(duì)稱(chēng)分布(bù)，這樣(yàng)，具有均勻磁(cí)場和點電極(jí)的電(diàn)磁流量(liàng)計的輸(shū)出信号與流速成正;同時(shí)電磁(cí)流量計在(zài)低流(liú)速的小流(liú)量測量時，可靠性和精度(dù)都不太理想.所(suǒ)以(yǐ)，如何在(zài)低流(liú)速小流量(liàng)下實現流量的(de)精确測量(liàng)和低(dī)功耗(hào)設(shè)計成爲(wèi)人們關(guān)注(zhù)的熱(rè)點[1-2j爲(wèi)了适應(yīng)低(dī)功耗設計要求，目前在電磁流(liú)量計的勵(lì)磁方(fāng)式、管道結構、硬(yìng)件電路和電極形狀等(děng)方面進(jìn)行了不斷(duàn)改進(jìn)并取得了不同程度(dù)的進(jìn)展.
　　對(duì)于異徑(jìng)管道，目(mù)前國内的(de)相關(guān)文獻較少(shǎo).主要(yào)是通(tōng)過在原來(lái)圓形橫截(jié)面管(guǎn)道的基(jī)礎(chǔ)上增加縮徑圓管，再采用小(xiǎo)口(kǒu)徑傳(chuán)統電(diàn)磁(cí)流量計(jì)對增速的流量(liàng)進行測量[町，以(yǐ)提高測量精度(dù).heijnsdijk[7j等把縮(suō)徑作爲(wèi)電磁(cí)流量(liàng)計管道結構的一部(bù)分，并設計(jì)了不(bú)同形狀的中間(jiān)管道截面(miàn).korsunskii[町等證明(míng)對于矩形(xíng)截面管道，電極(jí)上的(de)感應信(xìn)号(hào)不依賴于(yú)流速(sù)分布.lim[9j對傳統的(de)電磁流(liú)量計進行改(gǎi)進，設計了(le)長方(fāng)體管道結(jié)構和(hé)磁場(chǎng)結構(gòu)，分析了矩(jǔ)形電(diàn)極的(de)權重(zhòng)函數(shù)分布.
　　橫(héng)截面積(jī)局部收縮(suō)爲(wèi)矩(jǔ)形的(de)電(diàn)磁(cí)流量(liàng)測量管(guǎn)道内的速度分布(bù)、壓力損失(shī)和流動特(tè)性進行(háng)fluent仿真，欲(yù)爲合(hé)理的電磁(cí)流量計管(guǎn)道結(jié)構設計(jì)提供一定依據.
1電磁流(liú)量計(jì)原理
　　電磁(cí)流量計是(shì)一種根據法拉第電(diàn)磁感應定律來(lái)測量導電液體(tǐ)體積流量的儀(yí)表.其勵磁線圈将磁(cí)場(chǎng)施(shī)加給被測流體(tǐ)，從而(ér)通過檢測磁場(chǎng)中運(yùn)動流體(tǐ)的(de)感應(yīng)電動(dòng)勢并(bìng)進行相應的信(xìn)号處(chù)理來實現流(liú)量的準确測(cè)量。
對于(yú)圓形管(guǎn)道電磁流量計(jì)，輸出信号電壓(yā)爲:
e=b×`n×d(1)
式中(zhōng):e爲(wèi)感應(yīng)電動勢，b爲(wèi)磁感(gǎn)應強度(dù)，`n爲運動(dòng)平均(jun1)速度，d爲兩(liǎng)電極之間的距(jù)離(對(duì)于圓(yuán)形管道，d爲測量管内(nèi)徑).
假設管道(dào)的(de)橫截(jié)面積(jī)爲a，流(liú)量爲q，則(1)式爲:

在建立(lì)電磁流量(liàng)計這個基(jī)本方(fāng)程的(de)過程(chéng)中作了如下假設；
1)流(liú)體磁(cí)導(dǎo)率μ均勻(yún)，且等于真(zhēn)空中磁導率，即流體(tǐ)是非磁(cí)性(xìng)的(de);
2)流(liú)體的電導(dǎo)率均(jun1)勻，并(bìng)滿足ohm定律(lǜ);
3)流體中位移電流可忽略;
4)磁場(chǎng)在無限大範圍(wéi)内，磁感應(yīng)強度(dù)b是均勻分布;
5)充分發(fā)展流(liú)，對圓(yuán)管而(ér)言呈軸對(duì)稱分(fèn)布.
　　式(1)表(biǎo)明感應電(diàn)動勢正(zhèng)比于平均流速(sù).但當流體的流(liú)速(sù)很低時，産生(shēng)的感應(yīng)電動勢(shì)很小，難(nán)以(yǐ)同噪(zào)聲進行區分，緻使測(cè)量誤(wù)差增(zēng)大.因此，限制了(le)電磁流量計的測量下限(xiàn)，對儀(yí)表的靈敏度、穩定性和可(kě)靠性(xìng)産生影響(xiǎng).異徑(jìng)管設(shè)計要求在(zài)不改變原(yuán)流場(chǎng)特性的(de)條(tiáo)件下(xià)，适當縮徑(jìng)以增(zēng)加(jiā)流速來提高(gāo)測量靈敏度.而(ér)矩形(xíng)截面管道(dào)相對于(yú)圓形截(jié)面管道，電(diàn)極上(shàng)的感應信号不依賴于管(guǎn)道橫(héng)截面的流速分布[12j?bevir[13j證明(míng)在(zài)磁場(chǎng)均勻和電極形(xíng)狀(zhuàng)爲矩形的條(tiáo)件下，這種(zhǒng)依賴(lài)性很小，可(kě)忽略(luè)不計.
電磁流量計的(de)勵磁電路(lù)，線圈臣數(shù)n，勵磁(cí)電流i，磁通勢f爲:

　　由(7)式可知(zhī)，磁感(gǎn)應強(qiáng)度b與勵磁(cí)電流成正比，與(yǔ)磁路的平(píng)均長(zhǎng)度l成(chéng)反比.對于相同(tóng)勵磁電路(lù)、相同兩電極之(zhī)間距離d和相等(děng)管道橫截(jié)面積(jī)的圓(yuán)管(guǎn)和矩形(xíng)管，矩形管(guǎn)的高(gāo)度h小(xiǎo)于圓(yuán)管直(zhí)徑d.假(jiǎ)設磁(cí)路與管道(dào)之間(jiān)的距(jù)離爲hw，管道橫截面積爲圓形和矩形(xíng)的磁(cí)路平(píng)均長(zhǎng)度l分别爲(wèi)h+2hw和d+2hw·因此，勵磁電流相同時(shí)矩形(xíng)管道磁感應強(qiáng)度大于(yú)圓形管(guǎn)道的(de)磁感(gǎn)應強度.若需(xū)要得到(dào)相同磁感應強(qiáng)度b，矩形(xíng)截(jié)面管(guǎn)道所需勵(lì)磁電(diàn)流較(jiào)小(xiǎo)，可(kě)提高(gāo)電(diàn)磁流量(liàng)計的(de)低功耗特性.
2模(mó)型仿(páng)真(zhēn)
2.1模(mó)型的(de)建立與網格的(de)劃分

2.2fluent内(nèi)部參(cān)數設置
　　對fluent中的(de)各參數設置如(rú)下:模型求解方(fāng)法(fǎ)選擇默認設(shè)置的非搞合求(qiú)解方法;定(dìng)義流(liú)體的物(wù)理(lǐ)性質(zhì)爲水;選用(yòng)k-f.揣流(liú)模型(xíng)[15j初始流速(sù)0.1m/s和5m/s，水力直(zhí)徑50mm，yi白(bái)流強度(dù)分(fèn)别爲(wèi)5.5%和3.38%.
3仿真(zhēn)結果分(fèn)析
3.1異(yì)徑管道流(liú)場分布
　　對局部(bù)矩形(xíng)橫(héng)截面(miàn)的(de)異徑管道，在矩形部(bù)分長度80mm，寬度38mm，高(gāo)度20mm，管(guǎn)道總(zǒng)長200mm的(de)條件下采(cǎi)用fluent軟件進行流(liú)場仿真，管(guǎn)道初(chū)始流速分别爲(wèi)0.1m/s低流速和5m/s最大(dà)流速.其壓損和(hé)中心截面平均速度如表(biǎo)1:

　　表1指(zhǐ)出低流速0.1m/s時異(yì)徑管道(dào)中(zhōng)間流(liú)速增加2.58倍(bèi)，提高(gāo)了測量靈(líng)敏度(dù)和精确度.初始(shǐ)流速5m/s時(shí)，其壓力(lì)損失(shī)符合冷水水(shuǐ)表(biǎo)的檢定規(guī)程[1叫(jiào)額定工作(zuò)條件下的最大(dà)壓力損失(shī)應不(bú)超過0.063mpa.中間(jiān)流速也增加2.58倍爲12.9m/s，仍(réng)在傳統電磁流(liú)量計的測(cè)量範(fàn)圍内(nèi)，但更大初(chū)始流速可(kě)能會(huì)超出測量範圍.因此，應根據使(shǐ)用條件(jiàn)合(hé)理設計管(guǎn)道(dào)尺寸.圖(tú)2、圖3(其中(zhōng)x、y軸坐标單(dān)位(wèi)均爲m;速度(dù)單位(wèi)爲(wèi)m/s)和圖4表明異徑長方體管道的(de)流場特(tè)性穩(wěn)定(dìng)，設(shè)計長(zhǎng)方體(tǐ)異徑管道(dào)電磁流量計(jì)具有可行性.



3.2異徑(jìng)管道(dào)流場(chǎng)畸(jī)變
　　對橫截面(miàn)由圓形(xíng)漸變(biàn)爲(wèi)矩形的異(yì)徑管(guǎn)道，在矩形截面部分長度80mm，寬度20mm，高度5mm，管道(dào)總長(zhǎng)度爲200mm的設定條件下采(cǎi)用fluent軟件進行流場仿真(zhēn)，管道(dào)初(chū)始流速(sù)0.1m/s.進出口壓(yā)損1903.8014pa，中(zhōng)心截(jié)面平均速(sù)度2.4529221m/s,增加24.5倍(bèi).根據(jù)圖5、圖6可知，如果(guǒ)矩形(xíng)截面部分(fèn)的高度和(hé)寬度(dù)壓縮太大會(huì)導(dǎo)緻回(huí)流現象，同(tóng)時異(yì)徑管的出(chū)口壓(yā)力相對于(yú)進口(kǒu)壓力(lì)小太(tài)多，出現漸擴管(guǎn)有嚴重(zhòng)的(de)揣流(liú)現象(xiàng)，流(liú)場(chǎng)變化(huà)較大.


3.3異徑(jìng)管道(dào)橫截(jié)面積收縮(suō)部分不同長度(dù)的影(yǐng)晌
　　對橫截面由圓形(xíng)漸變(biàn)爲矩(jǔ)形的異徑(jìng)管道，在矩形截(jié)面(miàn)部(bù)分寬(kuān)度38mm，高(gāo)度20mm，長(zhǎng)度爲(wèi)100~40mm，以步長10mm變化，管道總(zǒng)長200mm的條件下采(cǎi)用fluent軟件(jiàn)進行流(liú)場仿真.管道人口初始流速設(shè)定爲(wèi)o.1m/s.仿真結果如表(biǎo)2.異(yì)徑(jìng)管長(zhǎng)度方向上的壓力損失由沿程(chéng)壓力(lì)損失(shī)引起(qǐ)，差别較小，中心截面(miàn)平(píng)均速度基本(běn)保(bǎo)持不變.

3.4異徑(jìng)管道橫截(jié)面積(jī)收縮部分不同寬度(dù)的影響
　　對橫截面由(yóu)圓形漸變爲矩(jǔ)形的異(yì)徑管道(dào)，在矩(jǔ)形截面部分長度80mm，高度20mm，寬度爲48~20mm，以(yǐ)步長2mm變化，管(guǎn)道(dào)總長200mm的(de)條(tiáo)件下采用fluent軟(ruǎn)件進(jìn)行流場仿(páng)真，管道人(rén)口初始流速設定爲(wèi)0.1m/s.得壓損和中心截面平(píng)均速度(dù)分布如圖7.寬度越小(xiǎo)壓力(lì)損失(shī)越大，但(dàn)中心截面平(píng)均速度也(yě)越大，随着(zhe)寬度(dù)的減(jiǎn)小，壓損和(hé)中心截面平均(jun1)速度(dù)增幅增大.

3.5異徑管(guǎn)道橫截面積收縮部分不同高(gāo)度的影晌
　　對橫(héng)截面由圓形漸(jiàn)變爲矩形的異(yì)徑管道，在矩形(xíng)截面(miàn)部分(fèn)長度80mm，寬度50mm，高度爲30~8mm，以(yǐ)步長(zhǎng)2mm變(biàn)化(huà)，管道(dào)總長200mm的(de)條件下(xià)采用fluent軟件(jiàn)仿真(zhēn)其流場分布，管(guǎn)道人口(kǒu)初始流速o.1m/s.得壓損和中(zhōng)心截面平均速度分布如圖8.高(gāo)度越小壓(yā)力(lì)損失越(yuè)大，且(qiě)中心(xīn)截面平均速度(dù)也越大(dà).随(suí)着高(gāo)度(dù)的減小(xiǎo)，壓損(sǔn)和中(zhōng)心截面(miàn)平(píng)均速度增(zēng)幅增(zēng)大.

4結語(yǔ)
　　對橫(héng)截面由圓(yuán)形漸變爲矩形(xíng)的異(yì)徑電磁(cí)流量計管道(dào)進行(háng)了三(sān)維(wéi)模(mó)拟仿(páng)真.縮徑(jìng)矩形截(jié)面(miàn)部分流體流(liú)速增加且流(liú)速在管(guǎn)道橫截面(miàn)上分布均(jun1)勻，有(yǒu)利于(yú)低流(liú)速小(xiǎo)流量的精确測(cè)量.矩(jǔ)形截面(miàn)部(bù)分的(de)寬(kuān)度和高度對進出口壓(yā)損和(hé)中心(xīn)截面平均速(sù)度影響(xiǎng)較大.矩形(xíng)截面(miàn)異徑管(guǎn)感應電(diàn)動勢(shì)與(yǔ)磁感應(yīng)強度(dù)b成正比，與(yǔ)矩形橫截(jié)面的高度(dù)h成反比，由(yóu)此高度h越(yuè)小越(yuè)好.但當(dāng)高度相對于(yú)圓(yuán)形人口(kǒu)的通(tōng)徑d收(shōu)縮較(jiào)大時，漸擴管中(zhōng)會出現(xiàn)明顯的(de)揣流和空穴現(xiàn)象，因(yīn)此收縮比(bǐ)例(lì)不(bú)能太(tài)大.采(cǎi)用具(jù)有局部收(shōu)縮的矩形(xíng)截面的測量管道可(kě)提高電磁流量計(jì)的(de)勵磁效率(lǜ)和傳感(gǎn)器輸出(chū)信号的幅(fú)度，有利于實現電磁(cí)流量(liàng)計(jì)的(de)低功(gōng)耗(hào)設計.
　　研究結(jié)果可(kě)知，設計橫(héng)截面由(yóu)圓形漸(jiàn)變爲矩形(xíng)的異(yì)徑管(guǎn)道電(diàn)磁流(liú)量計具有可行(háng)性，理(lǐ)論上并不(bú)存在管道尺寸(cùn)，具體的管道尺寸則(zé)根(gēn)據不改(gǎi)變原流場特性(xìng)太多、流體速度(dù)範圍和壓(yā)力損(sǔn)失等要求來決定.相(xiàng)對于圓形(xíng)截(jié)面管(guǎn)道，橫截(jié)面由圓形漸變(biàn)爲矩形的異徑(jìng)管道電磁(cí)流量計還具有磁場均勻、與流速分布無(wú)關(guān)、低(dī)功(gōng)耗等優點.

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