摘(zhai)要：文(wen)中插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計 在(zai)非對(dui)稱溉(gai)場中(zhong)的用(yong)問題(ti)。通過(guo)GAMBIT前處(chu)理軟(ruan)件建(jian)立管(guan)道及(ji)流量(liang)計的(de)物理(li)模型(xing)，并利(li)用FLUENT進(jin)行管(guan)道内(nei)水動(dong)的仿(pang)真計(ji)算。選(xuan)取等(deng)值面(mian)觀察(cha)管道(dao)内溉(gai)體的(de)速度(du)、壓力(li)等物(wu)理量(liang)的雲(yun)圖，失(shi)量圖(tu)等可(ke)視化(hua)圖像(xiang)。通過(guo)圖像(xiang)分析(xi)得出(chu)結論(lun)，直管(guan)道部(bu)分的(de)場分(fen)布均(jun)勻，而(er)管道(dao)轉彎(wan)處的(de)場由(you)于壓(ya)力的(de)作用(yong)，産生(sheng)了非(fei)對稱(cheng)場。靠(kao)近彎(wan)管道(dao)内徑(jing)的水(shui)産生(sheng)了高(gao)速場(chang)，明顯(xian)高于(yu)外徑(jing)的水(shui)速度(du)。因此(ci)要在(zai)彎管(guan)部分(fen)進行(hang)多點(dian)測量(liang)，以修(xiu)正流(liu)量計(ji)在非(fei)對稱(cheng)流場(chang)中的(de)測量(liang)準度(du)。
　　随着(zhe)近些(xie)年來(lai)我國(guo)流量(liang)測量(liang)水平(ping)的發(fa)展，越(yue)來越(yue)多種(zhong)類的(de)流量(liang)計廣(guang)泛應(ying)用于(yu)各種(zhong)行業(ye)。其中(zhong)，作爲(wei)電磁(ci)流量(liang)計中(zhong)一個(ge)種類(lei)的插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計，由(you)于其(qi)自身(shen)結構(gou)的輕(qing)巧，安(an)裝拆(chai)卸便(bian)捷，相(xiang)比制(zhi)造費(fei)用較(jiao)高，安(an)拆與(yu)維修(xiu)都很(hen)不便(bian)的普(pu)通電(dian)磁流(liu)量計(ji)而言(yan)具有(you)非常(chang)大的(de)優勢(shi)，從而(er)廣泛(fan)應用(yong)于現(xian)在的(de)機械(xie)工業(ye)大口(kou)徑管(guan)道的(de)流量(liang)檢測(ce)中。在(zai)國際(ji)上，由(you)于目(mu)前能(neng)源與(yu)環保(bao)計量(liang)方面(mian)的需(xu)求越(yue)來越(yue)大，如(ru)機械(xie)、化學(xue)工業(ye)污水(shui)流量(liang)的測(ce)量等(deng)，各國(guo)家發(fa)展插(cha)入式(shi)流量(liang)計已(yi)經成(cheng)爲一(yi)種趨(qu)勢。
　　我(wo)國的(de)插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji)的研(yan)究還(hai)在上(shang)升；對(dui)于測(ce)量精(jing)度的(de)提高(gao)和實(shi)物的(de)改進(jin)還有(you)着很(hen)大的(de)提升(sheng)空間(jian)，尤其(qi)是在(zai)管道(dao)排布(bu)複雜(za)、彎管(guan)多、角(jiao)度大(da)的工(gong)業現(xian)場，即(ji)在非(fei)對稱(cheng)流場(chang)下的(de)應用(yong)還需(xu)做深(shen)入探(tan)讨。
１插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計的(de)工作(zuo)原理(li)
　　與普(pu)通的(de) 電磁(ci)流量(liang)計 原(yuan)理相(xiang)同，插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計的(de)測量(liang)原理(li)同樣(yang)是基(ji)宇法(fa)拉第(di)電磁(ci)感虛(xu)定律(lü)。通過(guo)對目(mu)标流(liu)場内(nei)某一(yi)點流(liu)速的(de)測，經(jing)過一(yi)系列(lie)計算(suan)推導(dao)後，得(de)出整(zheng)個目(mu)标流(liu)場的(de)平均(jun)流速(su)。所以(yi)說插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計是(shi)一種(zhong)點流(liu)速的(de)了流(liu)量計(ji)。
　　以管(guan)道流(liu)速測(ce)量爲(wei)例，測(ce)量流(liu)場時(shi)，将流(liu)量計(ji)以平(ping)行Ｚ軸(zhou)，垂直(zhi)于XOY面(mian)方向(xiang)插人(ren)管遒(qiu)内部(bu)，感應(ying)電極(ji)位位(wei)于流(liu)量計(ji)尾端(duan)兩側(ce)，與水(shui)流方(fang)向保(bao)持垂(chui)直，且(qie)同屬(shu)XOY面。水(shui)流流(liu)經流(liu)量計(ji)時，做(zuo)切割(ge)磁感(gan)線運(yun)動，由(you)法拉(la)第電(dian)磁感(gan)應定(ding)律可(ke)知，磁(ci)場中(zhong)會産(chan)生電(dian)動勢(shi)E=BD`n表示(shi)管道(dao)橫截(jie)面平(ping)均流(liu)速。
流(liu)量Q=`n A,其(qi)中，A表(biao)示管(guan)道的(de)橫截(jie)面積(ji)，爲定(ding)值常(chang)數，進(jin)行如(ru)下推(tui)倒後(hou)得：

　　可(ke)知感(gan)應電(dian)．動勢(shi)E和流(liu)量Q是(shi)線性(xing)關系(xi)，與流(liu)場内(nei)其他(ta)變化(hua)的物(wu)埋無(wu)關。即(ji)可以(yi)通過(guo)流量(liang)計對(dui)電信(xin)号的(de)捕捉(zhuo)來實(shi)現對(dui)流場(chang)流量(liang)的檢(jian)測。
2 數(shu)值計(ji)算方(fang)法
FLUEST軟(ruan)件主(zhu)要包(bao)括前(qian)處理(li)器GAMBIT和(he)後赴(fu)理器(qi)FLUEST兩部(bu)分，二(er)者相(xiang)輔相(xiang)成，缺(que)一不(bu)可。
２．１前(qian)處理(li)GAMBIT建模(mo)
　　仿真(zhen)計算(suan)前，首(shou)先進(jin)行仿(pang)真的(de)前處(chu)理，即(ji)運用(yong) GAMBIT幾何(he)建模(mo)，之後(hou)對所(suo)建模(mo)進行(hang)網格(ge)的劃(hua)分和(he)生成(cheng)，誰知(zhi)完邊(bian)界條(tiao)件後(hou)輸出(chu)mesh文件(jian)。把mesh文(wen)件導(dao)入到(dao)FLUENT中進(jin)行流(liu)體仿(pang)真計(ji)算。
2.2後(hou)處理(li)FLUENT仿真(zhen)計算(suan)
　　求解(jie)計算(suan)有以(yi)下幾(ji)個步(bu)驟：檢(jian)查導(dao)入模(mo)型的(de)網格(ge)，選擇(ze)計算(suan)模定(ding)義流(liu)體材(cai)料性(xing)質，設(she)置邊(bian)界條(tiao)件，求(qiu)解方(fang)法及(ji)其控(kong)制，叠(die)代計(ji)算，檢(jian)查保(bao)存并(bing)分析(xi)仿真(zhen)結果(guo)。??
３數值(zhi)模掀(xian)仿真(zhen)與結(jie)果分(fen)析
3.1對(dui)稱流(liu)場直(zhi)管道(dao)中的(de)仿真(zhen)模拟(ni)
3.1.1圓管(guan)流動(dong)仿真(zhen)
　　首先(xian)在GAMBIT中(zhong)簡曆(li)半徑(jing)0.1m，長度(du)4m的長(zhang)直圓(yuan)管物(wu)理模(mo)型采(cai)用六(liu)面體(ti)網格(ge)劃分(fen)管道(dao)模型(xing)，如圖(tu)1所示(shi)。
定義(yi)邊界(jie)條件(jian)後輸(shu)出mesh文(wen)件，啓(qi)動FLUENT仿(pang)真計(ji)算。
　　叠(die)代計(ji)算後(hou)，查看(kan)結果(guo)，通過(guo)圖1可(ke)以看(kan)出圓(yuan)管内(nei)的速(su)度值(zhi)程同(tong)心圓(yuan)分布(bu)，越靠(kao)近中(zhong)心處(chu)速度(du)越大(da)，在靠(kao)近管(guan)壁的(de)區域(yu)，速度(du)幾乎(hu)爲零(ling)。管道(dao)内的(de)流速(su)穩定(ding)正常(chang)。

3.1.2插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji)後的(de)圓管(guan)流動(dong)仿真(zhen)
　　管道(dao)模型(xing)依然(ran)選取(qu)半徑(jing)0.1m，長4m的(de)圓管(guan)， 流量(liang)計 算(suan)模型(xing)爲半(ban)徑2cm的(de)圓柱(zhu)體。跟(gen)管道(dao)和流(liu)量計(ji)相比(bi)，電極(ji)很小(xiao)，對流(liu)場造(zao)成影(ying)響可(ke)以忽(hu)略不(bu)計，因(yin)此在(zai)建模(mo)時可(ke)以忽(hu)略電(dian)極，簡(jian)化幾(ji)何結(jie)構。流(liu)量計(ji)起阻(zu)擋水(shui)流作(zuo)用。管(guan)道及(ji)流量(liang)計建(jian)立模(mo)型圖(tu)如圖(tu)2所示(shi)。

　　運用(yong)GAMBIT建模(mo)劃分(fen)網格(ge)，其中(zhong)在體(ti)網格(ge)的劃(hua)分上(shang)Element選擇(ze)Hex，Type選擇(ze)Cooper。管道(dao)模型(xing)最終(zhong)劃分(fen)成的(de)網格(ge)如圖(tu)3所示(shi)。定義(yi)水流(liu)的入(ru)口及(ji)出口(kou)，流量(liang)計模(mo)型位(wei)于左(zuo)側水(shui)流入(ru)口處(chu)1m位置(zhi)。導入(ru)FLUENT求解(jie)計算(suan)。定義(yi)求解(jie)器定(ding)水的(de)流速(su)設置(zhi)爲1m/s。叠(die)代計(ji)算後(hou)，輸出(chu)結果(guo)圖組(zu)。

　　由于(yu)三維(wei)模型(xing)的計(ji)算結(jie)果不(bu)方便(bian)查看(kan)，所以(yi)通過(guo)創建(jian)電極(ji)所在(zai)的等(deng)值面(mian)來觀(guan)察電(dian)極所(suo)在區(qu)域周(zhou)圍的(de)流場(chang)，選取(qu)Z=0.06m平面(mian)來輸(shu)出壓(ya)力和(he)速度(du)等值(zhi)線及(ji)雲圖(tu)。選擇(ze)速度(du)雲圖(tu)放大(da)觀察(cha)，如圖(tu)4所示(shi)。

　　根(gen)據選(xuan)取面(mian)放大(da)後的(de)速度(du)雲圖(tu)觀察(cha)可以(yi)看出(chu)，水流(liu)流經(jing)流量(liang)計的(de)時候(hou)，兩側(ce)的電(dian)極周(zhou)圍的(de)流場(chang)受圓(yuan)柱繞(rao)流影(ying)響，産(chan)生了(le)高速(su)流場(chang)，水流(liu)無法(fa)很好(hao)地貼(tie)合流(liu)量計(ji)後半(ban)段壁(bi)面流(liu)動，緻(zhi)使流(liu)速減(jian)小，邊(bian)界層(ceng)出現(xian)分離(li)，産生(sheng)尾渦(wo)流區(qu)。尾渦(wo)區在(zai)一定(ding)程度(du)上破(po)壞了(le)周圍(wei)流場(chang)的穩(wen)定性(xing)。
　　由于(yu)傳統(tong)型插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計的(de)自身(shen)形狀(zhuang)不可(ke)避免(mian)的會(hui)對所(suo)測流(liu)場産(chan)生一(yi)定幹(gan)擾，因(yin)此需(xu)要采(cai)用機(ji)械工(gong)藝方(fang)面的(de)設計(ji)對其(qi)自身(shen)物理(li)結構(gou)進行(hang)改良(liang)。
3.2非對(dui)稱流(liu)場彎(wan)管道(dao)中的(de)仿真(zhen)模拟(ni)
3.2.1非對(dui)稱流(liu)場彎(wan)管道(dao)中水(shui)流動(dong)的模(mo)拟
　　根(gen)據之(zhi)前直(zhi)菅水(shui)流場(chang)的模(mo)拟可(ke)知，在(zai)直管(guan)中水(shui)流是(shi)均勻(yun)穩定(ding)的。而(er)管道(dao)相互(hu)連接(jie)的彎(wan)管部(bu)分其(qi)内部(bu)的流(liu)動會(hui)引起(qi)很大(da)的壓(ya)力降(jiang)，對流(liu)體流(liu)經轉(zhuan)彎處(chu)後的(de)速度(du)也會(hui)有一(yi)定的(de)影響(xiang)。
　　保持(chi)直管(guan)部分(fen)與之(zhi)前的(de)尺寸(cun)不變(bian)，彎管(guan)處采(cai)用半(ban)徑4倍(bei)管徑(jing)即0.4m的(de)90°彎管(guan)。簡曆(li)物理(li)模型(xing)，如圖(tu)5所示(shi)，劃分(fen)網格(ge)，設定(ding)邊界(jie)條件(jian)後求(qiu)解。

　　叠(die)代計(ji)算後(hou)，觀察(cha)輸出(chu)的速(su)度雲(yun)圖和(he)壓力(li)雲圖(tu)，如圖(tu)6和圖(tu)7所示(shi)。可以(yi)看出(chu)彎管(guan)處出(chu)現了(le)壓力(li)降，内(nei)徑速(su)度明(ming)顯大(da)于外(wai)徑。再(zai)通過(guo)放大(da)的速(su)度矢(shi)量圖(tu)可以(yi)看出(chu)，轉彎(wan)處的(de)内徑(jing)高速(su)水流(liu)沿外(wai)徑流(liu)出，并(bing)且速(su)度下(xia)降逐(zhu)漸恢(hui)複轉(zhuan)彎錢(qian)的速(su)度，出(chu)彎後(hou)的内(nei)徑部(bu)分幾(ji)乎無(wu)流速(su)，經過(guo)一定(ding)管長(zhang)後恢(hui)複勻(yun)速。

所(suo)以說(shuo)彎管(guan)部分(fen)的流(liu)場是(shi)不均(jun)勻的(de)，是非(fei)對稱(cheng)流場(chang)。
3.2.2插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji)後的(de)彎管(guan)流動(dong)仿真(zhen)
　　在多(duo)數現(xian)場環(huan)境下(xia)，長直(zhi)管較(jiao)少，短(duan)直管(guan)居多(duo)，然而(er)接近(jin)彎管(guan)處的(de)流體(ti)分布(bu)是不(bu)對稱(cheng)拟合(he)流場(chang)，這與(yu)對稱(cheng)流場(chang)下的(de)多點(dian)流速(su)洩露(lu)及數(shu)據分(fen)析會(hui)有較(jiao)大出(chu)入，因(yin)此在(zai)彎管(guan)部分(fen)的檢(jian)測要(yao)重新(xin)選取(qu)不同(tong)的點(dian)進行(hang)檢測(ce)。
　　保留(liu)上一(yi)小節(jie)中彎(wan)管道(dao)物理(li)模型(xing)不變(bian)，以水(shui)流流(liu)向作(zuo)參考(kao)，在靠(kao)近彎(wan)管入(ru)口和(he)出口(kou)0.1m處分(fen)别插(cha)入流(liu)量計(ji)模型(xing)，進行(hang)多次(ci)測量(liang)，除了(le)流量(liang)計插(cha)入位(wei)置其(qi)餘物(wu)理量(liang)保持(chi)不變(bian)。
　　劃分(fen)網格(ge)，網格(ge)類型(xing)選擇(ze)六面(mian)體Hex,劃(hua)分方(fang)法設(she)置爲(wei)Cooper即把(ba)整個(ge)模型(xing)體依(yi)據2指(zhi)定的(de)源面(mian)來劃(hua)分，設(she)置網(wang)格步(bu)長Space爲(wei)3.設定(ding)邊界(jie)條件(jian)，管道(dao)入口(kou)選擇(ze)VEOCITY，水流(liu)速設(she)定爲(wei)1m/s，出口(kou)選擇(ze)OUTFLOW，其餘(yu)各邊(bian)默認(ren)爲壁(bi)面WALL。輸(shu)出網(wang)格，導(dao)入FLUENT求(qiu)解器(qi)進行(hang)求解(jie)。
　　由于(yu)現場(chang)實際(ji)情況(kuang)中，工(gong)業管(guan)道會(hui)按照(zhao)現場(chang)需要(yao)進行(hang)安置(zhi)排布(bu)，即橫(heng)向豎(shu)向多(duo)角度(du)轉彎(wan)，管内(nei)流體(ti)是湍(tuan)流流(liu)動，流(liu)場基(ji)本上(shang)是不(bu)定常(chang)的，因(yin)此在(zai)定義(yi)求解(jie)器時(shi)，要用(yong)非穩(wen)态的(de)求解(jie)器進(jin)行模(mo)拟計(ji)算，即(ji)在Time選(xuan)項中(zhong)選擇(ze)非定(ding)常Unsteady。其(qi)他計(ji)算模(mo)型設(she)定，管(guan)内湍(tuan)流模(mo)型分(fen)布方(fang)程的(de)離散(san)模式(shi)設定(ding)爲k-epsilon即(ji)二階(jie)迎風(feng)差分(fen)格式(shi)，并采(cai)用SIMPLEC算(suan)法進(jin)行修(xiu)正。然(ran)後定(ding)義管(guan)道内(nei)的流(liu)體材(cai)料，本(ben)次仿(pang)真實(shi)驗使(shi)用液(ye)态水(shui)爲管(guan)道内(nei)的流(liu)體。在(zai)材料(liao)下拉(la)列表(biao)中選(xuan)擇，water-liquid（h20<1>）邊(bian)界條(tiao)件，inlet入(ru)口邊(bian)界條(tiao)件定(ding)義水(shui)流速(su)爲1m/s。湍(tuan)流強(qiang)度Turbulent Intensity和(he)水力(li)直徑(jing)Hydraulic Diameter選項(xiang)分别(bie)輸入(ru)5和0.04。
設(she)置求(qiu)解參(can)數，初(chu)始化(hua)及殘(can)差圖(tu)後，保(bao)存文(wen)件進(jin)行叠(die)代計(ji)算。
　　叠(die)代計(ji)算後(hou)，殘差(cha)圖均(jun)呈收(shou)斂狀(zhuang)态。選(xuan)擇Z=0.06m平(ping)面分(fen)别觀(guan)察速(su)度及(ji)壓力(li)雲圖(tu)。流量(liang)計在(zai)靠近(jin)彎管(guan)入口(kou)處0.1m的(de)輸出(chu)結果(guo)如圖(tu)8和9所(suo)示。

　　可(ke)以看(kan)出轉(zhuan)彎處(chu)依舊(jiu)出現(xian)壓力(li)降，由(you)于壓(ya)力的(de)作用(yong)，在水(shui)流在(zai)内徑(jing)的速(su)度大(da)于外(wai)徑，流(liu)量計(ji)兩側(ce)産生(sheng)告訴(su)流場(chang)，兩側(ce)電極(ji)可以(yi)檢測(ce)到明(ming)顯的(de)信号(hao)，但由(you)于内(nei)外徑(jing)流速(su)的不(bu)同，兩(liang)電極(ji)所檢(jian)測的(de)信号(hao)有一(yi)定量(liang)差，流(liu)量計(ji)尾部(bu)速度(du)幾乎(hu)爲零(ling)。
再觀(guan)察流(liu)量計(ji)在靠(kao)近彎(wan)管出(chu)口處(chu)0.1m的輸(shu)出結(jie)果組(zu)圖，如(ru)如10、圖(tu)11所示(shi)。


　　流量(liang)計的(de)尾渦(wo)區對(dui)水流(liu)出彎(wan)後的(de)直管(guan)部分(fen)流場(chang)有一(yi)定的(de)影響(xiang)，流量(liang)計電(dian)極兩(liang)側所(suo)檢測(ce)到的(de)信号(hao)由于(yu)彎管(guan)處壓(ya)力降(jiang)的作(zuo)用存(cun)在量(liang)差，并(bing)且速(su)度要(yao)略大(da)于入(ru)口處(chu)。
　　經過(guo)以上(shang)對比(bi)實驗(yan)證明(ming)，需要(yao)在彎(wan)道入(ru)口及(ji)出口(kou)部分(fen)選取(qu)垂直(zhi)與XOY面(mian)不同(tong)深度(du)的點(dian)來進(jin)行測(ce)量，從(cong)而得(de)到流(liu)量計(ji)在非(fei)對稱(cheng)條件(jian)下測(ce)速的(de)理想(xiang)修正(zheng)函數(shu)。
4結論(lun)
（1）通過(guo)多次(ci)實驗(yan)，分析(xi)仿真(zhen)結果(guo)，對物(wu)理模(mo)型網(wang)格的(de)劃分(fen)精度(du)及參(can)數的(de)調整(zheng)校正(zheng)，最終(zhong)使殘(can)差圖(tu)呈現(xian)收斂(lian)狀态(tai)。通過(guo)對輸(shu)出圖(tu)組的(de)觀察(cha)分析(xi)，基本(ben)準備(bei)模拟(ni)出管(guan)道中(zhong)的流(liu)場分(fen)布，同(tong)事得(de)出插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計對(dui)流場(chang)分布(bu)影響(xiang)。
（2）由于(yu)工業(ye)現場(chang)幻想(xiang)彎管(guan)道居(ju)多而(er)長直(zhi)管較(jiao)少，因(yin)此在(zai)實際(ji)測量(liang)時考(kao)慮到(dao)非對(dui)稱流(liu)場對(dui)流量(liang)計測(ce)量精(jing)度影(ying)響，需(xu)要在(zai)靠近(jin)彎道(dao)的不(bu)同點(dian)進行(hang)測量(liang)以修(xiu)正測(ce)量結(jie)果，保(bao)證精(jing)度。
（3）由(you)于圓(yuan)柱型(xing)的流(liu)量計(ji)的尾(wei)流對(dui)所測(ce)流場(chang)穩定(ding)性有(you)一定(ding)影響(xiang)，可以(yi)通過(guo)機械(xie)工藝(yi)加工(gong)對流(liu)量計(ji)的外(wai)形進(jin)行改(gai)良，盡(jin)可能(neng)減少(shao)尾流(liu)，保證(zheng)流場(chang)的穩(wen)定性(xing)。

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