摘(zhai)要：采用Fluent軟(ruan)件對圓形(xing)截面漸變(bian)爲矩形截(jie)面的異徑(jing)管道♍流場(chang)進行蘭維(wei)建模和數(shu)值仿真，分(fen)析了橫㊙️截(jie)面收縮異(yi)徑管的速(su)度分布和(he)流線，建立(li)了矩形截(jie)面部分的(de)長度、寬度(du)、高度與進(jin)出口壓力(li)損失和中(zhong)心截面平(ping)均速度之(zhi)間的關系(xi).研究表明(ming)，中間矩形(xing)截面部分(fen)☀️的寬度和(he)高💰度對進(jin)出口壓損(sun)和中心🐉截(jie)面平均速(su)🈲度影響較(jiao)大，同時🔞橫(heng)截面積收(shou)縮比例太(tai)大會導緻(zhi)流場紊亂(luan)和回流現(xian)象，從而爲(wei)合理設💜計(ji)局部橫截(jie)面積收縮(suo)的電磁流(liu)量測量管(guan)道提供了(le)理論依據(ju).
　　目前國内(nei)生産的電(dian)磁流量計(ji) 測量管道(dao)多爲均勻(yun)圓管，應用(yong)領域越來(lai)越廣.然而(er)電磁流量(liang)計在原理(li)上要求管(guan)道流速爲(wei)中心軸對(dui)稱分布，這(zhe)樣，具有均(jun)勻磁場和(he)點電極的(de)電磁流量(liang)計的輸👅出(chu)信号與流(liu)速成正;同(tong)時電磁流(liu)量計在低(di)流速的小(xiao)✔️流量測量(liang)時，可靠性(xing)和精度都(dou)不太理想(xiang)🈲.所以，如何(he)在低流速(su)小流量下(xia)實現流量(liang)的精确測(ce)量和低功(gong)耗設計成(cheng)爲人們關(guan)📧注的熱點(dian)[1-2J爲了适應(ying)低功耗設(she)計要求，目(mu)前在電磁(ci)流量計的(de)勵磁方式(shi)、管道結構(gou)、硬件電路(lu)和電極形(xing)狀等方面(mian)進行了不(bu)斷改進并(bing)取得了不(bu)同程度的(de)進展.
　　對于(yu)異徑管道(dao)，目前國内(nei)的相關文(wen)獻較少.主(zhu)要是通過(guo)在原來圓(yuan)形橫截面(mian)管道的基(ji)礎上增加(jia)縮徑圓管(guan)，再采🙇‍♀️用小(xiao)口徑傳統(tong)電磁流量(liang)計對增速(su)的流量進(jin)行測量[町(ding)，以提高測(ce)量精度.Heijnsdijk[7J等(deng)把縮徑作(zuo)爲電磁流(liu)量計管道(dao)結構的一(yi)部分，并設(she)計了不同(tong)形狀的中(zhong)間管道截(jie)面.Korsunskii[町等證(zheng)💞明對于矩(ju)形截面管(guan)道，電📱極上(shang)的感應信(xin)号不依賴(lai)于流速分(fen)布.Lim[9J對傳統(tong)的電磁流(liu)量計進行(hang)改🌍進，設計(ji)了長方體(ti)管道結構(gou)和磁場結(jie)構，分析了(le)矩形⛷️電極(ji)的權重函(han)數分布.
　　橫(heng)截面積局(ju)部收縮爲(wei)矩形的電(dian)磁流量測(ce)量管道内(nei)的速度分(fen)🔱布、壓力損(sun)失和流動(dong)特性進行(hang)Fluent仿真，欲爲(wei)合理的電(dian)磁流量🔞計(ji)管道結構(gou)設計提供(gong)一定依據(ju).
1電磁流量(liang)計原理
　　電(dian)磁流量計(ji)是一種根(gen)據法拉第(di)電磁感應(ying)定律來測(ce)量導電液(ye)體體積流(liu)量的儀表(biao).其勵磁線(xian)圈将磁場(chang)施加給被(bei)測流體，從(cong)而通過檢(jian)測磁場中(zhong)運動流⭐體(ti)的感應電(dian)動勢并進(jin)行相應的(de)信号處理(li)來實現流(liu)量的準确(que)測量。
對于(yu)圓形管道(dao)電磁流量(liang)計，輸出信(xin)号電壓爲(wei):
E=B×`n×D(1)
式中:E爲感(gan)應電動勢(shi)，B爲磁感應(ying)強度，`n爲運(yun)動平均速(su)度，D爲兩電(dian)極之間的(de)距離(對于(yu)圓形管道(dao)，D爲測量管(guan)内徑💋).
假設(she)管道的橫(heng)截面積爲(wei)A，流量爲q，則(ze)(1)式爲:

在建(jian)立電磁流(liu)量計這個(ge)基本方程(cheng)的過程中(zhong)作了如下(xia)🏃‍♀️假設；
1)流體(ti)磁導率μ均(jun)勻，且等于(yu)真空中磁(ci)導率，即流(liu)體是非磁(ci)性💃的💜;
2)流體(ti)的電導率(lü)均勻，并滿(man)足Ohm定律;
3)流(liu)體中位移(yi)電流可忽(hu)略;
4)磁場在(zai)無限大範(fan)圍内，磁感(gan)應強度B是(shi)均勻分布(bu);
5)充分發展(zhan)流，對圓管(guan)而言呈軸(zhou)對稱分布(bu).
　　式(1)表明感(gan)應電動勢(shi)正比于平(ping)均流速.但(dan)當流體的(de)流速很低(di)時，産生的(de)感應電動(dong)勢很小，難(nan)以同噪聲(sheng)♍進行♉區分(fen)，緻使測量(liang)誤差☔增大(da).因此，限制(zhi)了電磁流(liu)量計的測(ce)量下限，對(dui)儀表的靈(ling)敏度、穩定(ding)性和可靠(kao)性産生影(ying)響.異徑管(guan)設計要求(qiu)在不改變(bian)原流場特(te)🏃‍♂️性的條件(jian)下，适當縮(suo)徑以✉️增加(jia)流速來提(ti)高測量靈(ling)🛀🏻敏度.而矩(ju)形截面管(guan)道相對于(yu)🙇‍♀️圓形截面(mian)管道，電極(ji)上的感應(ying)信号不依(yi)賴于管道(dao)橫截面的(de)流速分布(bu)[12J?Bevir[13J證明在磁(ci)場均勻和(he)🌈電極形狀(zhuang)爲矩形的(de)條件下，這(zhe)種依賴性(xing)很小，可忽(hu)略不計.
電(dian)磁流量計(ji)的勵磁電(dian)路，線圈臣(chen)數N，勵磁電(dian)流I，磁通勢(shi)F爲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻:

　　由(7)式可(ke)知，磁感應(ying)強度B與勵(li)磁電流成(cheng)正比，與磁(ci)路的平均(jun)長度L成反(fan)比.對于相(xiang)同勵磁電(dian)路、相同兩(liang)電極之🏃間(jian)距🔞離D和🐇相(xiang)等管道🔞橫(heng)截面積的(de)圓管和矩(ju)形管，矩形(xing)管的高度(du)h小于圓管(guan)直💃徑D.假設(she)磁路與管(guan)道之間的(de)距離爲hw，管(guan)道橫截面(mian)積爲圓形(xing)和矩形的(de)磁路平均(jun)長度L分别(bie)爲h+2hw和D+2hw·因此(ci)，勵磁電流(liu)相同時矩(ju)形🚩管道磁(ci)感應強度(du)大于圓形(xing)管💞道的磁(ci)感應強度(du).若需要得(de)到相同磁(ci)感應強度(du)B，矩形截面(mian)管道所需(xu)勵磁😘電流(liu)較小，可提(ti)高㊙️電磁流(liu)量計的低(di)功耗特性(xing).
2模型仿真(zhen)
2.1模型的建(jian)立與網格(ge)的劃分

2.2Fluent内部參數(shu)設置
　　對Fluent中(zhong)的各參數(shu)設置如下(xia):模型求解(jie)方法選擇(ze)默認設置(zhi)的非搞合(he)求解方法(fa);定義流體(ti)的物理性(xing)質爲水;選(xuan)用k-f.揣流模(mo)型[15J初始流(liu)速0.1m/s和5m/s，水力(li)直徑50mm，Yi白流(liu)強度分别(bie)爲5.5%和3.38%.
3仿真(zhen)結果分析(xi)
3.1異徑管道(dao)流場分布(bu)
　　對局部矩(ju)形橫截面(mian)的異徑管(guan)道，在矩形(xing)部分長度(du)80mm，寬度38mm，高度(du)20mm，管道總長(zhang)200mm的條件下(xia)采用Fluent軟件(jian)進行流場(chang)仿真，管道(dao)初始流速(su)分别☎️爲0.1m/s低(di)流速和5m/s最(zui)大流速.其(qi)壓損和中(zhong)心截面平(ping)均速度如(ru)表1:

　　表1指出(chu)低流速0.1m/s時(shi)異徑管道(dao)中間流速(su)增加2.58倍，提(ti)高了👨‍❤️‍👨測量(liang)靈敏度和(he)精确度.初(chu)始流速5m/s時(shi)，其壓力損(sun)失符合💜冷(leng)水水表的(de)檢定規程(cheng)[1叫額定工(gong)作條件下(xia)的最大壓(ya)力損失應(ying)不超過0.063MPa.中(zhong)間流速也(ye)增加2.58倍爲(wei)12.9m/s，仍在傳統(tong)電磁流量(liang)計的測量(liang)範圍内，但(dan)更大初始(shi)流速可能(neng)會超出測(ce)量範圍🈲.因(yin)此，應根據(ju)使用條件(jian)合㊙️理設計(ji)管道尺寸(cun).圖2、圖3(其中(zhong)X、Y軸坐标單(dan)位均爲m;速(su)度⭐單位爲(wei)m/s)和😄圖4表明(ming)異徑長方(fang)體管道的(de)流場特性(xing)穩定，設計(ji)長方體異(yi)徑管道電(dian)磁流量計(ji)具有可行(hang)性.



3.2異(yi)徑管道流(liu)場畸變
　　對(dui)橫截面由(you)圓形漸變(bian)爲矩形的(de)異徑管道(dao)，在矩形📐截(jie)面部分長(zhang)度80mm，寬度20mm，高(gao)度5mm，管道總(zong)長度爲200mm的(de)設定條✌️件(jian)下采用Fluent軟(ruan)件進行流(liu)場仿真，管(guan)道初始流(liu)速0.1m/s.進出口(kou)壓損1903.8014Pa，中心(xin)截🔴面平均(jun)速度2.4529221m/s,增加(jia)24.5倍.根據圖(tu)5、圖6可知，如(ru)果矩形截(jie)面部分的(de)高度和寬(kuan)度壓縮太(tai)大會導☔緻(zhi)回流現象(xiang)，同時異徑(jing)管的出口(kou)壓力相對(dui)于進口㊙️壓(ya)力小太多(duo)，出現漸擴(kuo)管有嚴重(zhong)的揣流現(xian)象，流場變(bian)化較大.


3.3異(yi)徑管道橫(heng)截面積收(shou)縮部分不(bu)同長度的(de)影晌
　　對橫(heng)截面由圓(yuan)形漸變爲(wei)矩形的異(yi)徑管道，在(zai)矩形截面(mian)🈲部分寬度(du)38mm，高度20mm，長度(du)爲100~40mm，以步長(zhang)10mm變化，管道(dao)總長✌️200mm的條(tiao)件下采用(yong)Fluent軟件進行(hang)流場仿真(zhen).管道人口(kou)初始流速(su)設定爲O.1m/s.仿(pang)真結果如(ru)表2.異徑管(guan)長度方向(xiang)上的壓力(li)損失由沿(yan)程壓㊙️力損(sun)失引起，差(cha)别較小，中(zhong)心截面平(ping)均速度🏃🏻‍♂️基(ji)本保持不(bu)變.

3.4異徑管(guan)道橫截面(mian)積收縮部(bu)分不同寬(kuan)度的影響(xiang)
　　對橫截面(mian)由圓形漸(jian)變爲矩形(xing)的異徑管(guan)道，在矩形(xing)截面部分(fen)長度80mm，高度(du)20mm，寬度爲48~20mm，以(yi)步長2mm變化(hua)，管道總長(zhang)200mm的條件下(xia)采用Fluent軟件(jian)進行流場(chang)仿真，管道(dao)人口初始(shi)流速設定(ding)爲0.1m/s.得壓損(sun)和中心截(jie)面平均速(su)度分布如(ru)圖7.寬度越(yue)小壓力損(sun)失越大，但(dan)🔆中心截面(mian)平均速度(du)❗也越大，随(sui)着寬度的(de)減小，壓損(sun)和中心🐪截(jie)面平均速(su)度增幅增(zeng)大📧.

3.5異徑(jing)管道橫截(jie)面積收縮(suo)部分不同(tong)高度的影(ying)晌
　　對橫截(jie)面由圓形(xing)漸變爲矩(ju)形的異徑(jing)管道，在矩(ju)形截面部(bu)分長度80mm，寬(kuan)度50mm，高度爲(wei)30~8mm，以步長2mm變(bian)化，管道總(zong)長200mm的條件(jian)下采用Fluent軟(ruan)件仿真其(qi)流場分布(bu)，管道人口(kou)初始流速(su)O.1m/s.得壓損和(he)中心截面(mian)平均速度(du)分布如圖(tu)8.高度越小(xiao)壓力損失(shi)越大，且中(zhong)心截面平(ping)均速度也(ye)越大.随着(zhe)高度的減(jian)小，壓損和(he)中心截面(mian)平均速度(du)增🔞幅增大(da).

4結語
　　對(dui)橫截面由(you)圓形漸變(bian)爲矩形的(de)異徑電磁(ci)流量計🌈管(guan)道進🚩行了(le)三維模拟(ni)仿真.縮徑(jing)矩形截面(mian)部分流體(ti)流速增加(jia)且❗流速在(zai)管道橫截(jie)面上分布(bu)均勻，有利(li)于低流速(su)小㊙️流量的(de)精确測量(liang).矩形截面(mian)部分的🤟寬(kuan)度和高👅度(du)對進出口(kou)壓損和中(zhong)心截面👉平(ping)均速度影(ying)響較大.矩(ju)形截面異(yi)徑管感應(ying)電動勢與(yu)磁感應強(qiang)度B成正比(bi)，與🔴矩形橫(heng)截面的高(gao)度h成反比(bi)，由此高度(du)h越小越好(hao).但當高度(du)相對于圓(yuan)形人口的(de)通徑D收縮(suo)💘較大時，漸(jian)擴管中會(hui)出現明顯(xian)的揣流和(he)空穴現象(xiang)，因此收縮(suo)比例不能(neng)太大.采🈲用(yong)具有局部(bu)收縮的🛀🏻矩(ju)形截面的(de)測量管道(dao)可🔅提高電(dian)磁流量計(ji)的勵磁效(xiao)率和傳感(gan)器輸出信(xin)号♉的幅度(du)，有利于實(shi)現電磁🏃流(liu)量❌計的低(di)功耗設計(ji).
　　研究結果(guo)可知，設計(ji)橫截面由(you)圓形漸變(bian)爲矩形的(de)異徑管道(dao)電磁流量(liang)計具有可(ke)行性，理論(lun)上并不存(cun)在管道尺(chi)寸，具🌈體的(de)管道尺寸(cun)則根據不(bu)改變原流(liu)場特性太(tai)多、流體速(su)度範圍和(he)🔞壓力損失(shi)等要求來(lai)決定.相對(dui)于圓形截(jie)面管道，橫(heng)截面由圓(yuan)✊形漸變爲(wei)矩形的異(yi)徑管道電(dian)磁流量計(ji)還具有磁(ci)場均勻、與(yu)♊流速分布(bu)無關、低功(gong)耗等優點(dian).

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