【摘(zhai)要】通過ICEMCFD軟(ruan)件将局部(bu)截面變爲(wei)橢圓形的(de)異徑導流(liu)筒進🔞行了(le)三維建模(mo)，使用Fluent對不(bu)同入口速(su)度下的流(liu)線🔴場與速(su)度分布🌈進(jin)行❤️仿真計(ji)算，建立了(le)不同結構(gou)的導流筒(tong)所适用的(de)速度範圍(wei).結果表明(ming)，速度的大(da)小和橢圓(yuan)截面離心(xin)率對流場(chang)産生的♌影(ying)響較大.當(dang)速度減小(xiao)或離心率(lü)變大時，導(dao)流筒尾部(bu)漸擴管容(rong)易發生回(hui)流，緻使流(liu)場紊亂.本(ben)研究能爲(wei)橢圓形管(guan)道電磁流(liu)量計的結(jie)構設計提(ti)供參考方(fang)案，爲設計(ji)合理的導(dao)流筒提🥰供(gong)理論依據(ju).
　　電磁流量(liang)計 是工業(ye)過程中用(yong)于計量導(dao)電性流體(ti)體積流量(liang)的儀表［1］，當(dang)前㊙️國🐅内使(shi)用大多電(dian)磁流量計(ji)爲圓形截(jie)面導流筒(tong).然而，電磁(ci)流🙇🏻量計對(dui)被測管道(dao)内的流場(chang)有一定的(de)要求，流場(chang)的不穩定(ding)會📧使得流(liu)量計示值(zhi)不穩定，緻(zhi)使測量誤(wu)差加大［2－3］.爲(wei)了解決這(zhe)些問題，本(ben)文提出橢(tuo)圓形截面(mian)管道設計(ji)方案.
　　針對(dui)橫截面爲(wei)不同離心(xin)率橢圓形(xing)的導流筒(tong)，對在㊙️不同(tong)入口速🙇🏻度(du)下流場的(de)流動性與(yu)速度分布(bu)進行Fluent仿真(zhen)，欲爲合理(li)的導🎯流筒(tong)⛷️提供理論(lun)依據.
1異徑(jing)管結構的(de)電磁理論(lun)分析
　　電磁(ci)流量計是(shi)基于法拉(la)第電磁感(gan)應定律而(er)開發的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計(ji)量儀表［8］.通(tong)電後的勵(li)磁線圈在(zai)導流筒垂(chui)直方位産(chan)生磁🈚感應(ying)強度爲Ｂ的(de)工作磁場(chang)，待導電流(liu)體穿過時(shi)，在🔴液體兩(liang)側産生感(gan)應電動勢(shi)Ｅ，通過對相(xiang)應的🌈電動(dong)勢進行信(xin)号處理而(er)實現體積(ji)流量的準(zhun)确測量.感(gan)應電動勢(shi)大小爲
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
　　式(shi)（1）中：Ｂ爲工作(zuo)磁場中的(de)磁感應強(qiang)度；Ｖ爲導電(dian)液體流速(su)；Ｄ爲測量導(dao)🌏管内徑.
　　導(dao)電流體的(de)速度Ｖ與工(gong)作磁場内(nei)的磁感應(ying)強度Ｂ都是(shi)有方向性(xing)的矢量，但(dan)各質點的(de)速度爲非(fei)均勻分布(bu)，當流體的(de)流速很小(xiao)時，會産生(sheng)很小感應(ying)電動勢，與(yu)噪音混合(he)後使得測(ce)量誤差增(zeng)大，從而影(ying)響到設備(bei)的穩定性(xing)和可靠📧性(xing).其中Ｅ的數(shu)值由電🔴極(ji)測量，單⛷️位(wei)時間内管(guan)道流量計(ji)算公式爲(wei)

　　在電磁流(liu)量計的勵(li)磁線圈中(zhong)，電流爲Ｉ，匝(za)數爲Ｎ，穿過(guo)工作區♉域(yu)的磁路長(zhang)度均值爲(wei)Ｌ，可得磁阻(zu)Ｒm與磁通勢(shi)Ｆ爲

　　式中Ｓ爲(wei)磁路的平(ping)均面積，μ爲(wei)介質磁導(dao)率.由磁場(chang)歐姆定律(lü)［9］可得磁通(tong)量f

　　由（6）式可(ke)知，磁感應(ying)強度Ｂ與磁(ci)路長度平(ping)均值Ｌ成反(fan)比，與通❌過(guo)勵磁線圈(quan)的電流Ｉ成(cheng)正比.相比(bi)起均勻的(de)圓😄形管道(dao)，橢圓導流(liu)筒内的工(gong)作磁場縮(suo)小了Ｌ值，在(zai)産生同等(deng)磁感應強(qiang)度Ｂ的條件(jian)下，勵磁線(xian)🙇🏻圈中的電(dian)流将小于(yu)前者，從而(er)可降低電(dian)磁流量計(ji)的功耗.
2Fluent模(mo)型建立與(yu)參數設置(zhi)
　　使用ICEMCFD建立(li)橢圓截面(mian)導流筒的(de)模型.導流(liu)筒的中間(jian)部㊙️分爲橢(tuo)圓🌂管，兩側(ce)均爲橢圓(yuan)形漸變爲(wei)圓形的漸(jian)🏃🏻擴管.導流(liu)筒半❄️長軸(zhou)與Ｘ軸⁉️平行(hang)，長度35mm，半短(duan)軸與Ｙ軸平(ping)行，長度28mm，短(duan)長半軸之(zhi)比🧑🏽‍🤝‍🧑🏻爲4/5，橢圓(yuan)🤞離心率爲(wei)0.60，長88mm.兩端漸(jian)擴管最外(wai)側圓形的(de)半徑爲50mm，各(ge)長81mm.導流筒(tong)總長250mm.該模(mo)👄型的對象(xiang)爲在中間(jian)直管🐇段具(ju)有均勻磁(ci)場分布的(de)橢圓截面(mian)管👈道的電(dian)磁流量計(ji)将導流筒(tong)兩端🌏分别(bie)定義爲出(chu)🌈口與出口(kou).流體在入(ru)口邊界以(yi)固定速度(du)垂直與入(ru)口邊界流(liu)入，在出口(kou)邊界自由(you)流出，忽略(lue)重力.定義(yi)其他區域(yu)爲壁面，最(zui)後以四面(mian)體結構對(dui)模型進行(hang)網格劃分(fen)，如圖♈1所示(shi).單元格數(shu)量爲204萬，網(wang)格質量評(ping)價系數爲(wei)：0.65～0.70（2.5%）；0.70～0.90（8.6%）；0.90～1.0（86.2%）.該三維💜模(mo)型網格質(zhi)量能夠滿(man)足精度和(he)收斂要求(qiu).文中其它(ta)結構的三(san)維模型網(wang)格，其類型(xing)與上述一(yi)緻，網格質(zhi)量🛀基本相(xiang)同.

　　設置(zhi)模型爲ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍(tuan)流模型［10］，模(mo)拟對象爲(wei)液體水，仿(pang)真将以入(ru)口流速🎯分(fen)别爲小流(liu)速0.1m/ｓ、0.3m/ｓ與大流(liu)速5.0m/ｓ的條件(jian)下進行.
3速(su)度場仿真(zhen)結果分析(xi)
　　以不同進(jin)口速度對(dui)該結構導(dao)流筒進行(hang)流場仿真(zhen)，求解⛹🏻‍♀️後使(shi)❌用軟件提(ti)取數據.由(you)于磁場方(fang)向平行于(yu)Ｙ軸，故圖2至(zhi)圖15是在選(xuan)取了與Ｙ軸(zhou)垂直的ＸＯＺ坐(zuo)标平面，并(bing)觀察速度(du)雲與流線(xian)分布圖，計(ji)算結果如(ru)下.
3.1小流速(su)下的仿真(zhen)分析
　　取流(liu)入速度爲(wei)0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設置仿真(zhen)計算的叠(die)代步數爲(wei)300，過程中🔴分(fen)别在第211步(bu)、第186步時計(ji)算結果收(shou)斂，流量計(ji)流道區域(yu)内可視爲(wei)穩态的定(ding)常流動.管(guan)内速度雲(yun)圖如圖2、圖(tu)3，流線圖如(ru)圖4、圖5.


　　由圖2、圖3可(ke)知，在進口(kou)速度爲0.1m/ｓ與(yu)0.3m/ｓ條件下，速(su)度雲圖無(wu)明顯💜差别(bie)，平面直管(guan)段的速度(du)分布的上(shang)下對稱性(xing)較高✉️，靠管(guan)🛀壁速度小(xiao)，中間大，出(chu)口流體向(xiang)兩側流動(dong)，中間區流(liu)速小.

　　如圖4、圖5，當(dang)入口速度(du)爲0.1m/ｓ時，末端(duan)發生回流(liu)現象，但中(zhong)間直管段(duan)流場平穩(wen)，沒有受到(dao)尾部回流(liu)影響.當初(chu)💁始速度增(zeng)加爲0.3m/ｓ時尾(wei)部的回流(liu)減弱.
3.2大流(liu)速下的仿(pang)真分析
　　設(she)置進口速(su)度爲5.0m/ｓ，設置(zhi)仿真計算(suan)的叠代步(bu)數爲300，過程(cheng)中🔞在🐇第96步(bu)計算結果(guo)受斂，可視(shi)爲定常流(liu)動.速度雲(yun)圖如圖6.

　　中間(jian)直管段内(nei)靠管壁處(chu)速度小，中(zhong)間大，速度(du)分布的上(shang)下對稱性(xing)較高.在圖(tu)7中，當流速(su)增加爲5.0m/ｓ時(shi)，中間直管(guan)段與🎯尾部(bu)漸擴管的(de)流場非常(chang)平穩，無回(hui)流現象.

　　綜(zong)合圖4、圖5、圖(tu)7可見，随着(zhe)流體速度(du)增加，回流(liu)減弱.綜合(he)3.1與3.2，流道域(yu)内均爲穩(wen)态的定常(chang)流動，且流(liu)場平穩，速(su)度分布對(dui)稱性較高(gao)，故該結構(gou)的電磁流(liu)量計在大(da)小流速條(tiao)件下的使(shi)用均是可(ke)行的.
4離心(xin)率對流場(chang)的影響
4.1離(li)心率爲0.8
　　中(zhong)間橢圓截(jie)面直管段(duan)短長半軸(zhou)之比爲3/5，離(li)心率0.8.分别(bie)定義入㊙️口(kou)速度爲0.1m/ｓ、5.0m/ｓ，在(zai)此條件下(xia)使用Fluent進行(hang)模拟計算(suan)，過程中分(fen)别在第263步(bu)、192步時計算(suan)結果收斂(lian)，可視爲定(ding)常流😍動.結(jie)果如圖8至(zhi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻圖10.


　　入口速度(du)爲0.1m/ｓ時（圖8、圖(tu)9），中間直管(guan)段内靠近(jin)但不接觸(chu)📐管壁的位(wei)🐇置流速大(da)，中間小.速(su)度分布的(de)上下對稱(cheng)性較🏃🏻高，流(liu)道域尾部(bu)出現🛀🏻回流(liu)現象，但中(zhong)間直管端(duan)的流場依(yi)然平穩.當(dang)入👣口速度(du)增加至5.0m/ｓ時(shi)（圖10、圖11），中間(jian)直管段内(nei)⭐速度分布(bu)基本均勻(yun)，尾部回流(liu)消失，流場(chang)🐆整體平穩(wen).

　　縮徑(jing)爲0.8離心率(lü)的橢圓截(jie)面電磁流(liu)量計在初(chu)始流📐速爲(wei)0.1m/ｓ與5.0m/ｓ條件下(xia)均爲穩态(tai)流動，速度(du)分布對稱(cheng)，直管内流(liu)場平💋穩，那(na)麽該♉結構(gou)導流筒的(de)電磁流量(liang)計在大小(xiao)流速條件(jian)下的使🔴用(yong)均是可行(hang)的.
4.2離心率(lü)爲0.916
　　半長軸(zhou)長35mm，半短軸(zhou)長14mm，短長半(ban)軸之比2/5，離(li)心率0.916.分别(bie)設置入口(kou)速度在0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的(de)條件下通(tong)過Fluent進行模(mo)拟仿真，設(she)置計算叠(die)代步數爲(wei)1000，過程中各(ge)點的速度(du)值随時間(jian)産生無規(gui)律變化，無(wu)法收斂.圖(tu)11至🌈圖14爲步(bu)數等于1000時(shi)瞬時結果(guo)的抓取.

　　由(you)圖12、圖13可知(zhi)，當入口速(su)度爲0.1m/ｓ時，導(dao)流筒内速(su)度分布無(wu)♌明顯👣規律(lü)，存在較大(da)的流場畸(ji)變.因爲導(dao)流筒兩側(ce)産生的感(gan)應🈚電動勢(shi)與流速成(cheng)正比，且流(liu)量計是🤩根(gen)據流速值(zhi)計算出一(yi)🌏定時間内(nei)通過🈚管道(dao)的體積流(liu)量，所以在(zai)非穩态流(liu)場條件下(xia)流量計檢(jian)測到的是(shi)大小搖擺(bai)不定的感(gan)應電動勢(shi)，爲體積流(liu)量的計算(suan)造成許多(duo)💜不确定因(yin)素，還降低(di)了計量精(jing)度.
　　設置流(liu)入速度爲(wei)5.0m/ｓ，計算過程(cheng)中第117步收(shou)斂，流場可(ke)視爲達到(dao)穩🈚定狀态(tai).如圖14、圖15所(suo)示，流場分(fen)布平穩，中(zhong)間🈲直管段(duan)内✍️速度⭐場(chang)分布基本(ben)均勻，與其(qi)它結構導(dao)流筒在該(gai)速度下的(de)分布🔞無明(ming)顯區别.綜(zong)合圖12至圖(tu)15可☎️知，截面(mian)離心率變(bian)爲0.916時的導(dao)流筒在入(ru)口速度增(zeng)大到一定(ding)值後，流場(chang)穩定.

5不同(tong)結構導流(liu)筒所适應(ying)的速度區(qu)間
　　在完成(cheng)不同結構(gou)導流筒在(zai)小流速與(yu)大流速情(qing)況🈲下的仿(pang)🌈真🈲之後，對(dui)入口流速(su)分别爲0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的(de)條件下進(jin)行模拟計(ji)算.以流場(chang)速度分布(bu)爲判據，得(de)出了不同(tong)結構橢圓(yuan)管所适應(ying)的速度區(qu)間.由表1可(ke)知：截面離(li)心♌率爲0.600和(he)0.800的橢圓形(xing)導流筒的(de)速度均适(shi)用于大流(liu)速⚽與小流(liu)速，而截面(mian)離心率爲(wei)0.916的導流筒(tong)卻不适用(yong)于🍉小流量(liang)的條件，當(dang)該結構導(dao)流筒的入(ru)口流速達(da)到🍓0.8m/ｓ及以上(shang)時，内部流(liu)場分布才(cai)被接受.雖(sui)橢圓變扁(bian)，磁路長度(du)平均值Ｌ減(jian)小🌈，緻使所(suo)需勵磁電(dian)流Ｉ減小，降(jiang)低㊙️了設備(bei)功耗，但縮(suo)徑量過大(da)會犧牲測(ce)速量程，導(dao)緻🌏量程下(xia)限升高，小(xiao)🏃‍♂️流量的狀(zhuang)态下不再(zai)适用.

6結論(lun)
本文針對(dui)局部變爲(wei)橢圓形截(jie)面的異徑(jing)導流筒進(jin)🌈行了模拟(ni)仿真計算(suan).得出結論(lun)如下：
1）減小(xiao)磁路長度(du)平均值Ｌ，在(zai)産生同等(deng)磁感應強(qiang)度Ｂ的條件(jian)下，可減小(xiao)勵磁線圈(quan)的電流Ｉ，從(cong)而提升流(liu)量計的靈(ling)敏度，降低(di)功耗.
2）當橢(tuo)圓離心率(lü)增大到一(yi)定值時，尾(wei)部漸擴管(guan)便會出現(xian)明顯的回(hui)流現象，緻(zhi)使流量計(ji)量程下限(xian)升高，不再(zai)适用🛀🏻于低(di)🆚速計量.
3）入(ru)口速度對(dui)管内速度(du)場的影響(xiang)頗爲重要(yao)，大流速在(zai)導流筒🈲各(ge)部位的流(liu)場較平穩(wen)，小流速則(ze)容易發🧡生(sheng)回流現❤️象(xiang)，随着入口(kou)速度降低(di)，回流更顯(xian)著.
4）離心率(lü)爲0.8的橢圓(yuan)截面導流(liu)筒可最大(da)條件下滿(man)足縮徑和(he)流🐅場要求(qiu)，該尺寸适(shi)合在流量(liang)計中使用(yong).

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