摘要：采(cai)用Fluent軟件(jian)對圓形(xing)截面漸(jian)變爲矩(ju)形截面(mian)的異徑(jing)管道⭐流(liu)場進行(hang)蘭維建(jian)模和數(shu)值仿真(zhen)，分析了(le)橫截面(mian)收縮異(yi)徑🏃🏻管的(de)速度分(fen)布和流(liu)線，建立(li)了矩形(xing)👅截面部(bu)🚶‍♀️分的長(zhang)度、寬度(du)、高度與(yu)進出口(kou)壓力損(sun)失和🏃‍♂️中(zhong)心截面(mian)平均速(su)度之間(jian)的關系(xi).研究表(biao)明，中間(jian)矩🍉形截(jie)面部分(fen)的寬度(du)和高度(du)對進出(chu)口壓損(sun)和中心(xin)截面平(ping)均速度(du)影響較(jiao)大，同時(shi)橫截面(mian)積收縮(suo)♻️比例👉太(tai)大會導(dao)緻流場(chang)紊亂和(he)♌回流現(xian)象，從而(er)爲合理(li)設計局(ju)部橫截(jie)面積收(shou)縮的電(dian)磁流量(liang)測量管(guan)道提供(gong)了理論(lun)依據.
　　目(mu)前國内(nei)生産的(de)電磁流(liu)量計 測(ce)量管道(dao)多爲均(jun)勻圓管(guan)，應用領(ling)域越來(lai)越廣.然(ran)而電✂️磁(ci)💋流量計(ji)在原理(li)上要求(qiu)管道流(liu)速爲中(zhong)心軸對(dui)稱分☂️布(bu)，這🚩樣，具(ju)有均勻(yun)磁場和(he)點電極(ji)的電磁(ci)流量✨計(ji)的輸出(chu)信号與(yu)流速❌成(cheng)正;同時(shi)電磁流(liu)量計在(zai)低☎️流速(su)的小流(liu)量測量(liang)時，可靠(kao)性和精(jing)度都💃不(bu)太理想(xiang).所以，如(ru)何在🔅低(di)流速小(xiao)流🤞量下(xia)實現流(liu)量的精(jing)确測量(liang)和低功(gong)耗設計(ji)成爲人(ren)們關😍注(zhu)的熱點(dian)[1-2J爲了适(shi)應低功(gong)耗設🌈計(ji)要求，目(mu)前在電(dian)磁流量(liang)計的勵(li)磁方式(shi)、管道結(jie)構、硬件(jian)電路🔞和(he)電極形(xing)狀等方(fang)✍️面進行(hang)了不斷(duan)改進并(bing)取得了(le)不同程(cheng)度的🏃🏻‍♂️進(jin)展.
　　對于(yu)異徑管(guan)道，目前(qian)國内的(de)相關文(wen)獻較少(shao).主要是(shi)通過在(zai)原來圓(yuan)形橫截(jie)面管道(dao)的基礎(chu)上增加(jia)縮徑📐圓(yuan)管，再采(cai)用小口(kou)徑傳統(tong)電磁流(liu)量計對(dui)增速的(de)流量進(jin)行測量(liang)[町，以提(ti)高測量(liang)精🧑🏽‍🤝‍🧑🏻度.Heijnsdijk[7J等(deng)把💋縮徑(jing)作爲電(dian)磁流量(liang)計管道(dao)結構的(de)一部分(fen)，并設計(ji)了㊙️不同(tong)形狀♌的(de)中間管(guan)道截面(mian).Korsunskii[町等證(zheng)明對于(yu)矩形截(jie)面管道(dao)，電極上(shang)的感應(ying)信号不(bu)依賴于(yu)流速分(fen)布.Lim[9J對傳(chuan)統的電(dian)磁流量(liang)計🔅進行(hang)改進，設(she)計了長(zhang)方體管(guan)道結構(gou)和磁場(chang)㊙️結構，分(fen)析了矩(ju)形電極(ji)的權重(zhong)函數🚶‍♀️分(fen)⛷️布.
　　橫截(jie)面積局(ju)部收縮(suo)爲矩形(xing)的電磁(ci)流量測(ce)量管道(dao)内的📱速(su)度分布(bu)、壓力損(sun)失和流(liu)動特性(xing)進行Fluent仿(pang)真，欲💚爲(wei)合理的(de)電磁⁉️流(liu)量計管(guan)道結構(gou)設計提(ti)供一定(ding)依據.
1電(dian)磁流量(liang)計原理(li)
　　電磁流(liu)量計是(shi)一種根(gen)據法拉(la)第電磁(ci)感應定(ding)律來✂️測(ce)量導電(dian)液體體(ti)積流量(liang)的儀表(biao).其勵磁(ci)線圈将(jiang)磁場施(shi)🎯加給被(bei)測流體(ti)🌏，從而通(tong)過檢測(ce)磁場中(zhong)運動流(liu)🈲體的感(gan)🏃🏻應電動(dong)勢并進(jin)行相應(ying)的信号(hao)處理來(lai)實現流(liu)量的準(zhun)确測量(liang)。
對于圓(yuan)形管道(dao)電磁流(liu)量計，輸(shu)出信号(hao)電壓爲(wei):
E=B×`n×D(1)
式中:E爲(wei)感應電(dian)動勢，B爲(wei)磁感應(ying)強度，`n爲(wei)運動平(ping)均速度(du)，D爲兩電(dian)極之間(jian)的距離(li)(對于圓(yuan)形管道(dao)，D爲測量(liang)管内徑(jing)).
假設管(guan)道的橫(heng)截面積(ji)爲A，流量(liang)爲q，則(1)式(shi)爲:

在建(jian)立電磁(ci)流量計(ji)這個基(ji)本方程(cheng)的過程(cheng)中作了(le)如下假(jia)設；
1)流體(ti)磁導率(lü)μ均勻，且(qie)等于真(zhen)空中磁(ci)導率，即(ji)流體是(shi)非磁性(xing)的;
2)流體(ti)的電導(dao)率均勻(yun)，并滿足(zu)Ohm定律;
3)流(liu)體中位(wei)移電流(liu)可忽略(lue);
4)磁場在(zai)無限大(da)範圍内(nei)，磁感應(ying)強度B是(shi)均勻分(fen)布;
5)充分(fen)發展流(liu)，對圓管(guan)而言呈(cheng)軸對稱(cheng)分布.
　　式(shi)(1)表明感(gan)應電動(dong)勢正比(bi)于平均(jun)流速.但(dan)當流體(ti)的流速(su)很低📱時(shi)，産生的(de)感應電(dian)動勢很(hen)小，難以(yi)同噪聲(sheng)進行區(qu)分，緻使(shi)測量誤(wu)差增大(da).因此，限(xian)制了電(dian)磁流量(liang)計的測(ce)量下限(xian)，對儀表(biao)的靈敏(min)度、穩定(ding)性和可(ke)靠性産(chan)生影📞響(xiang).異徑管(guan)設計要(yao)求在不(bu)改變♻️原(yuan)流場特(te)性的條(tiao)件下，适(shi)當縮徑(jing)以增加(jia)流速來(lai)提高測(ce)量靈敏(min)度.而矩(ju)形截🚶‍♀️面(mian)管道相(xiang)對于圓(yuan)形截面(mian)管道，電(dian)極上的(de)感應♊信(xin)号不依(yi)賴于❗管(guan)道橫截(jie)面的流(liu)速分布(bu)[12J?Bevir[13J證明在(zai)磁場均(jun)勻和電(dian)極形狀(zhuang)爲矩形(xing)的條件(jian)下，這種(zhong)依賴性(xing)很小，可(ke)忽略不(bu)計.
電磁(ci)流量計(ji)的勵磁(ci)電路，線(xian)圈臣數(shu)N，勵磁電(dian)流I，磁通(tong)☎️勢F爲:

　　由(you)(7)式可知(zhi)，磁感應(ying)強度B與(yu)勵磁電(dian)流成正(zheng)比，與磁(ci)路的平(ping)🔴均❄️長度(du)L成反比(bi).對于相(xiang)同勵磁(ci)電路、相(xiang)同兩電(dian)極之間(jian)距離D和(he)相等管(guan)道橫截(jie)面積的(de)圓管和(he)矩形管(guan)，矩形管(guan)的高🌍度(du)h小于圓(yuan)管直🐕徑(jing)D.假設磁(ci)路與管(guan)道之間(jian)的距離(li)爲hw，管道(dao)橫截面(mian)積❌爲圓(yuan)形和矩(ju)形的磁(ci)路平均(jun)長度L分(fen)别爲h+2hw和(he)D+2hw·因此，勵(li)磁電流(liu)相同時(shi)矩形管(guan)道磁感(gan)應強度(du)大于圓(yuan)形管㊙️道(dao)的磁感(gan)應強度(du).若需要(yao)得到相(xiang)同磁感(gan)應強度(du)B，矩形截(jie)面管道(dao)所需勵(li)磁電流(liu)較小，可(ke)提高電(dian)磁流量(liang)計的低(di)功耗特(te)性.
2模型(xing)仿真
2.1模(mo)型的建(jian)立與網(wang)格的劃(hua)分

2.2Fluent内(nei)部參數(shu)設置
　　對(dui)Fluent中的各(ge)參數設(she)置如下(xia):模型求(qiu)解方法(fa)選擇默(mo)認設置(zhi)的非搞(gao)🤟合求解(jie)方法;定(ding)義流體(ti)的物理(li)性質爲(wei)💋水;選用(yong)k-f.揣🐆流模(mo)型[15J初始(shi)流速0.1m/s和(he)5m/s，水力直(zhi)徑50mm，Yi白流(liu)強度🔅分(fen)别爲5.5%和(he)3.38%.
3仿真結(jie)果分析(xi)
3.1異徑管(guan)道流場(chang)分布
　　對(dui)局部矩(ju)形橫截(jie)面的異(yi)徑管道(dao)，在矩形(xing)部分長(zhang)度💃80mm，寬度(du)38mm，高度20mm，管(guan)🆚道總長(zhang)200mm的條件(jian)下采用(yong)Fluent軟件進(jin)行流場(chang)仿真，管(guan)道初始(shi)流速分(fen)别爲0.1m/s低(di)流速和(he)5m/s最大流(liu)速.其壓(ya)損和中(zhong)心截面(mian)平均速(su)度如表(biao)1:

　　表1指出(chu)低流速(su)0.1m/s時異徑(jing)管道中(zhong)間流速(su)增加2.58倍(bei)，提高了(le)測量靈(ling)敏度和(he)精确度(du).初始流(liu)速5m/s時，其(qi)壓力損(sun)失符合(he)冷水水(shui)表❓的檢(jian)定規程(cheng)[1叫額定(ding)工作條(tiao)件下的(de)最大壓(ya)力損失(shi)應不超(chao)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼過0.063MPa.中間(jian)流速也(ye)增加2.58倍(bei)爲12.9m/s，仍在(zai)傳統電(dian)磁流量(liang)計的測(ce)量範圍(wei)内，但更(geng)👈大初始(shi)流速可(ke)能會超(chao)出測量(liang)範圍.因(yin)此，應根(gen)據使用(yong)條件合(he)理設計(ji)管道尺(chi)寸.圖2、圖(tu)3(其中X、Y軸(zhou)坐标單(dan)位均爲(wei)m;速度🤞單(dan)位爲m/s)和(he)圖4表明(ming)異徑長(zhang)方體管(guan)道🐉的流(liu)場特性(xing)穩定，設(she)計長方(fang)體異徑(jing)管道電(dian)磁流量(liang)計具🔅有(you)可行性(xing).



3.2異(yi)徑管道(dao)流場畸(ji)變
　　對橫(heng)截面由(you)圓形漸(jian)變爲矩(ju)形的異(yi)徑管道(dao)，在矩形(xing)截面部(bu)分😄長度(du)80mm，寬度20mm，高(gao)度5mm，管道(dao)總長度(du)爲200mm的設(she)定條件(jian)下采用(yong)Fluent軟件😘進(jin)行流場(chang)仿真，管(guan)道初始(shi)流速0.1m/s.進(jin)出口壓(ya)損1903.8014Pa，中心(xin)截面平(ping)均速度(du)2.4529221m/s,增加24.5倍(bei).根🆚據圖(tu)5、圖6可知(zhi)，如果矩(ju)形截面(mian)部分的(de)高度和(he)寬度壓(ya)縮太大(da)會導🔞緻(zhi)回流現(xian)象，同時(shi)異徑管(guan)的出口(kou)壓力相(xiang)對于進(jin)口壓力(li)小太多(duo)🚶，出現漸(jian)擴管有(you)嚴重的(de)揣流現(xian)象，流場(chang)變化較(jiao)大.


3.3異徑(jing)管道橫(heng)截面積(ji)收縮部(bu)分不同(tong)長度的(de)影晌
　　對(dui)橫截面(mian)由圓形(xing)漸變爲(wei)矩形的(de)異徑管(guan)道，在矩(ju)形👅截面(mian)☎️部分⛹🏻‍♀️寬(kuan)😄度38mm，高度(du)20mm，長度爲(wei)100~40mm，以步長(zhang)10mm變化，管(guan)道總長(zhang)❓200mm的條件(jian)下采用(yong)Fluent軟件進(jin)行流場(chang)仿真.管(guan)道人口(kou)初始🏃‍♂️流(liu)速設定(ding)爲O.1m/s.仿真(zhen)結果如(ru)表2.異徑(jing)管長度(du)方向上(shang)的壓力(li)損失由(you)沿程壓(ya)力損失(shi)引起，差(cha)别較小(xiao)，中心截(jie)🔱面平均(jun)速度基(ji)本保持(chi)不變.

3.4異(yi)徑管道(dao)橫截面(mian)積收縮(suo)部分不(bu)同寬度(du)的影響(xiang)
　　對橫截(jie)面由圓(yuan)形漸變(bian)爲矩形(xing)的異徑(jing)管道，在(zai)矩形🏃‍♂️截(jie)面部分(fen)長💜度80mm，高(gao)度20mm，寬度(du)爲48~20mm，以步(bu)長2mm變化(hua)，管道總(zong)長200mm的條(tiao)件下采(cai)用🔴Fluent軟件(jian)進行㊙️流(liu)場仿真(zhen)，管道人(ren)口初始(shi)流速設(she)定爲0.1m/s.得(de)壓損和(he)中心截(jie)🔴面平均(jun)速度分(fen)布如圖(tu)7.寬度越(yue)小壓力(li)損👈失越(yue)大，但中(zhong)心截面(mian)平均速(su)度也越(yue)大，随着(zhe)寬度的(de)減小，壓(ya)損和中(zhong)心截面(mian)平均速(su)度增幅(fu)增大.

3.5異(yi)徑管道(dao)橫截面(mian)積收縮(suo)部分不(bu)同高度(du)的影晌(shang)
　　對橫截(jie)面由圓(yuan)形漸變(bian)爲矩形(xing)的異徑(jing)管道，在(zai)矩形截(jie)面部✊分(fen)長度80mm，寬(kuan)度50mm，高度(du)爲30~8mm，以步(bu)長2mm變化(hua)，管道總(zong)長200mm的條(tiao)件下采(cai)用Fluent軟件(jian)仿真其(qi)流場分(fen)布，管道(dao)人口初(chu)始流速(su)O.1m/s.得壓損(sun)和中心(xin)截面平(ping)均速度(du)分布如(ru)圖8.高度(du)越小壓(ya)力損失(shi)越大，且(qie)中心❤️截(jie)面平均(jun)🌈速度也(ye)越大.随(sui)着高度(du)的減小(xiao)，壓損和(he)中心截(jie)面平均(jun)速度增(zeng)🔞幅增大(da).

4結語
　　對(dui)橫截面(mian)由圓形(xing)漸變爲(wei)矩形的(de)異徑電(dian)磁流量(liang)計管道(dao)進行了(le)三維模(mo)拟仿真(zhen).縮徑矩(ju)形截面(mian)部分流(liu)體流速(su)增加且(qie)♋流速在(zai)管🐪道橫(heng)截面上(shang)分布均(jun)勻，有利(li)于低流(liu)速小流(liu)量的精(jing)确測🌈量(liang).矩形截(jie)面部分(fen)的寬度(du)和高度(du)對進出(chu)口壓損(sun)和中心(xin)截面平(ping)均速度(du)影響較(jiao)大.矩形(xing)截面異(yi)徑☔管感(gan)應電動(dong)勢與磁(ci)感應強(qiang)度B成正(zheng)比，與矩(ju)形橫截(jie)面的高(gao)度h成反(fan)比，由此(ci)高度h越(yue)小越好(hao).但當高(gao)度相🔆對(dui)于圓形(xing)人口的(de)通徑D收(shou)縮較大(da)時，漸擴(kuo)管中會(hui)出現明(ming)顯的揣(chuai)流👈和空(kong)穴現象(xiang)，因此收(shou)縮比例(li)不能太(tai)大.采🙇🏻用(yong)具有局(ju)部收縮(suo)的矩形(xing)截面的(de)測量管(guan)道可💔提(ti)高電磁(ci)流量計(ji)的勵磁(ci)效率和(he)傳感器(qi)輸出信(xin)号的幅(fu)度，有利(li)于實現(xian)電磁流(liu)量計的(de)低功耗(hao)設計.
　　研(yan)究結果(guo)可知，設(she)計橫截(jie)面由圓(yuan)形漸變(bian)爲矩形(xing)的異✌️徑(jing)㊙️管道電(dian)磁流量(liang)計具有(you)可行性(xing)，理論上(shang)并不存(cun)🚶‍♀️在管道(dao)尺寸，具(ju)體的管(guan)道尺寸(cun)則根據(ju)不改變(bian)原流場(chang)特性太(tai)多、流體(ti)速度範(fan)圍和壓(ya)力損⭐失(shi)等要求(qiu)來決定(ding).相對于(yu)圓形截(jie)面管道(dao)，橫截面(mian)由圓形(xing)漸變爲(wei)矩形的(de)異徑🚩管(guan)道電磁(ci)流量計(ji)還具有(you)磁場均(jun)勻、與🧡流(liu)速分布(bu)無關、低(di)功耗等(deng)優點.

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