随(sui)着流(liu)量計(ji)量行(hang)業的(de)發展(zhan)，
插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji)以其(qi)低成(cheng)本、安(an)裝維(wei)修方(fang)便等(deng)優點(dian)廣泛(fan)應用(yong)于大(da)口徑(jing)管道(dao)流量(liang)的測(ce)量。盡(jin)管插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計測(ce)量屬(shu)🏃♀️于點(dian)測量(liang)，但用(yong)插入(ru)管道(dao)的探(tan)頭即(ji)傳感(gan)器上(shang)的兩(liang)個⭐電(dian)極采(cai)☁️集信(xin)号，探(tan)測到(dao)的是(shi)一定(ding)區域(yu)内流(liu)體的(de)信息(xi)。
現如(ru)今，絕(jue)大部(bu)分人(ren)采用(yong)流體(ti)力學(xue)方法(fa)(CFD)對流(liu)場進(jin)♻️行仿(pang)真研(yan)♌究，而(er)其中(zhong)使用(yong)廣泛(fan)的數(shu)值解(jie)法就(jiu)是有(you)💋限體(ti)積法(fa)✉️，本文(wen)🚶采用(yong)的仿(pang)真軟(ruan)件 FLU-ENT 就(jiu)是基(ji)于此(ci)。而很(hen)多人(ren)在運(yun)用 CFD 方(fang)🙇🏻法進(jin)行插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計流(liu)場仿(pang)真時(shi)，往往(wang)無法(fa)确定(ding)🔅其在(zai)管道(dao)⚽中的(de)計算(suan)🐆域，導(dao)緻其(qi)🌈信号(hao)模拟(ni)難💋以(yi)實現(xian)。針對(dui)這種(zhong)情況(kuang)，本文(wen)通過(guo) FLUENT 軟件(jian)💁對管(guan)道内(nei)流場(chang)進行(hang)三維(wei)數值(zhi)模拟(ni)，提出(chu)了信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍的(de)概念(nian)和确(que)定方(fang)法。
1 基(ji)本原(yuan)理
1. 1 信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍的(de)定義(yi)
根據(ju)插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji)的工(gong)作原(yuan)理，距(ju)離電(dian)極越(yue)遠💛的(de)區域(yu)，其📐磁(ci)感應(ying)強度(du)越弱(ruo);當遠(yuan)到一(yi)定距(ju)離時(shi)📱，該處(chu)流體(ti)☂️切割(ge)磁感(gan)線所(suo)産生(sheng)的電(dian)動勢(shi)弱到(dao)不會(hui)對流(liu)體檢(jian)測結(jie)果産(chan)生影(ying)響
所(suo)以，對(dui)于大(da)口徑(jing)管道(dao)，插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji)傳感(gan)器探(tan)頭電(dian)極能(neng)檢測(ce)到的(de)流量(liang)信号(hao)實際(ji)上是(shi)被測(ce)管道(dao)内🏃傳(chuan)感器(qi)探頭(tou)附近(jin)某一(yi)空間(jian)區域(yu)的電(dian)信号(hao)，而并(bing)非覆(fu)🌈蓋整(zheng)個管(guan)道。所(suo)📱以，本(ben)文對(dui)信号(hao)作用(yong)範圍(wei)做了(le)一明(ming)确定(ding)義。信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍是(shi)指電(dian)極附(fu)近的(de)某一(yi)空間(jian)區域(yu)，該區(qu)域内(nei)導🐅電(dian)流體(ti)切割(ge)磁感(gan)線所(suo)産生(sheng)的電(dian)動勢(shi)對流(liu)量檢(jian)測結(jie)果起(qi)決定(ding)性作(zuo)用。
1. 2 等(deng)效半(ban)徑 R 的(de)定義(yi)
在流(liu)場中(zhong)，信号(hao)越強(qiang)則越(yue)容易(yi)被電(dian)極接(jie)收到(dao)，場内(nei)每點(dian)産生(sheng)的信(xin)号大(da)小與(yu)流過(guo)該點(dian)的流(liu)速有(you)關，而(er)插入(ru)式電(dian)磁流(liu)🌈量計(ji)🌈由于(yu)探頭(tou)的插(cha)入導(dao)緻流(liu)場分(fen)布發(fa)生💔變(bian)化，故(gu)可知(zhi)電💃🏻極(ji)不是(shi)在其(qi)周圍(wei)等距(ju)離的(de)采集(ji)有效(xiao)信号(hao)，即實(shi)際的(de)信号(hao)作用(yong)範圍(wei)是不(bu)規則(ze)的區(qu)域。爲(wei)了方(fang)便研(yan)究，用(yong)下述(shu)方法(fa)定義(yi)等效(xiao)信号(hao)範圍(wei)。一個(ge)在電(dian)極周(zhou)圍的(de)具有(you)半徑(jing) R 的球(qiu)形區(qu)域 VR，使(shi)它與(yu)實際(ji)信号(hao)作用(yong)範圍(wei)對信(xin)号産(chan)生的(de)貢獻(xian)是等(deng)效的(de)，即滿(man)足式(shi)(1)。
式(1)中(zhong)，Π爲流(liu)體在(zai)流場(chang)中切(qie)割磁(ci)感線(xian)對信(xin)号産(chan)生貢(gong)獻的(de)實際(ji)總💘體(ti)區域(yu)，VR爲以(yi)電極(ji)爲球(qiu)心的(de)區域(yu)，其半(ban)徑 R 定(ding)義爲(wei)等效(xiao)半徑(jing)，Φ(x，y，z) 是流(liu)動空(kong)間中(zhong)流體(ti)單位(wei)體積(ji)貢獻(xian)的🏃信(xin)号。隻(zhi)要确(que)定出(chu)等效(xiao)半徑(jing) R，就☎️能(neng)表征(zheng)出等(deng)效信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍 VR。
1. 3 等(deng)效半(ban)徑 R 研(yan)究方(fang)法
根(gen)據體(ti)積流(liu)量的(de)計算(suan)公式(shi)可知(zhi):
式(2)中(zhong) U 指的(de)是截(jie)面 A 的(de)面平(ping)均流(liu)速。而(er)在儀(yi)表測(ce)量時(shi)❓實際(ji)檢㊙️測(ce)到㊙️的(de)流速(su)應該(gai)是信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍内(nei)的整(zheng)體平(ping)均流(liu)速，通(tong)過标(biao)準裝(zhuang)置檢(jian)定得(de)到儀(yi)表的(de)轉換(huan)系數(shu) K，可✔️以(yi)把信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍内(nei)🔆的整(zheng)體平(ping)均流(liu)速轉(zhuan)換成(cheng)電極(ji)☔所在(zai)位置(zhi)處管(guan)道最(zui)小橫(heng)截面(mian)🌈(簡稱(cheng)最小(xiao)截面(mian))的面(mian)平❗均(jun)流速(su)，從而(er)計算(suan)出流(liu)量值(zhi)。故在(zai)仿真(zhen)🔞時可(ke)以把(ba)信号(hao)作用(yong)範圍(wei)内的(de)平均(jun)流速(su)代替(ti)最小(xiao)💰截面(mian)的平(ping)均流(liu)速，通(tong)過這(zhe)個原(yuan)理可(ke)以對(dui)信号(hao)作用(yong)範圍(wei)進行(hang)求解(jie)和驗(yan)證。
1. 4 等(deng)效半(ban)徑 R 分(fen)析步(bu)驟
關(guan)于等(deng)效半(ban)徑 R 的(de)确定(ding)，以 FLUENT 軟(ruan)件對(dui)插入(ru)探頭(tou)的大(da)口徑(jing)管道(dao)進行(hang)數值(zhi)模拟(ni)。步驟(zhou)爲:①求(qiu)得某(mou)一來(lai)流速(su)度 U 下(xia)，不同(tong)區域(yu)半徑(jing) r 與該(gai)半徑(jing)球形(xing)區域(yu)範圍(wei)内平(ping)均流(liu)速之(zhi)間的(de)關系(xi);②根據(ju)📐連續(xu)性🏃🏻方(fang)程求(qiu)得最(zui)小截(jie)面的(de)理論(lun)平均(jun)流速(su);③利用(yong)插值(zhi)方法(fa)确定(ding)該♊來(lai)流速(su)度🈲下(xia)信号(hao)作用(yong)範圍(wei)的等(deng)效半(ban)徑 R;④改(gai)變來(lai)流速(su)度重(zhong)複此(ci)模拟(ni)實驗(yan)。
2 信号(hao)作用(yong)範圍(wei)的确(que)定方(fang)法
2. 1 确(que)定計(ji)算域(yu)
爲了(le)保證(zheng)網格(ge)質量(liang)，選擇(ze)工程(cheng)上使(shi)用十(shi)分廣(guang)泛、結(jie)構較(jiao)爲簡(jian)單的(de)圓柱(zhu)二電(dian)極探(tan)頭作(zuo)爲仿(pang)真對(dui)象，計(ji)算域(yu)如圖(tu) 1 所示(shi)。在保(bao)證前(qian)後直(zhi)管段(duan)的基(ji)礎上(shang)，設定(ding)常溫(wen)常壓(ya)下水(shui)爲流(liu)動介(jie)質，入(ru)口邊(bian)界條(tiao)件爲(wei)速度(du)入口(kou)，出口(kou)邊界(jie)條件(jian)⭐爲壓(ya)力出(chu)📐口，選(xuan)擇标(biao)☂️準 k-ε 模(mo)型爲(wei)湍流(liu)模型(xing)，其經(jing)驗常(chang)數 C1ε、C2ε、C3ε分(fen)别取(qu)1. 44、1. 92、0. 09，湍動(dong)能和(he)耗散(san)率分(fen)💔别取(qu) 1. 0 和 1. 3。
根(gen)據信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍概(gai)念可(ke)知，隻(zhi)要探(tan)頭能(neng)夠檢(jian)測到(dao)流量(liang)信号(hao)，表明(ming)該處(chu)的流(liu)動一(yi)定在(zai)磁場(chang)區域(yu)範圍(wei)内，則(ze)計算(suan)域内(nei)的📞平(ping)均速(su)度爲(wei):
式(3)中(zhong) Vr爲計(ji)算區(qu)域，u(x，y，z) 爲(wei)速度(du)函數(shu)。
2. 2 最小(xiao)截面(mian)理論(lun)流速(su)的求(qiu)解
所(suo)研究(jiu)的背(bei)景是(shi)插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji)用于(yu)測量(liang)大❄️口(kou)徑管(guan)道的(de)流量(liang)，因此(ci)，所采(cai)用的(de)管道(dao)模型(xing)是大(da)口徑(jing)管🔅道(dao)，尺寸(cun)如下(xia):管道(dao)内徑(jing)爲 400 mm，探(tan)頭半(ban)徑爲(wei)32 mm，電極(ji)半徑(jing)爲 5 mm，探(tan)頭的(de)插入(ru)深度(du)爲120 mm。
由(you)連續(xu)性方(fang)程可(ke)得:
式(shi)(4)中 U 爲(wei)實際(ji)來流(liu)速度(du)，A1爲管(guan)道截(jie)面積(ji)，U1爲最(zui)小截(jie)面理(li)論♍流(liu)速，A2爲(wei)最小(xiao)截面(mian)積。
用(yong) GAMBIT 軟件(jian)建立(li)模型(xing)，可直(zhi)接得(de)出 A2=117 961. 70 mm2。取(qu)來流(liu)速度(du)在 0. 5 ～10 m/s 範(fan)圍内(nei)的 6 速(su)度點(dian)，則可(ke)以根(gen)據公(gong)式(4)求(qiu)出不(bu)同來(lai)流速(su)度下(xia)流過(guo)最小(xiao)截📞面(mian)的理(li)論流(liu)速 ū1。
2. 3 計(ji)算域(yu)内的(de)平均(jun)流速(su)和計(ji)算域(yu)半徑(jing)之間(jian)的關(guan)系
取(qu)計算(suan)域半(ban)徑在(zai) 10 ～ 80 mm 的範(fan)圍内(nei)，通過(guo)GAMBIT 軟件(jian)分别(bie)建立(li)模💋型(xing)☁️，再由(you)💚 FLUENT 軟☂️件(jian)分别(bie)進行(hang)仿真(zhen)，得出(chu)在不(bu)同半(ban)徑的(de)計算(suan)域内(nei)所對(dui)應的(de)體積(ji)加♉權(quan)平均(jun)流速(su)，如表(biao) 1 所示(shi)。
3 實(shi)驗結(jie)果與(yu)仿真(zhen)結果(guo)分析(xi)
爲了(le)驗證(zheng)通過(guo)上述(shu)方法(fa)所得(de)到的(de)插入(ru)式電(dian)磁流(liu)🌂量計(ji)等效(xiao)信号(hao)作用(yong)範圍(wei)的可(ke)靠性(xing)，把該(gai)尺寸(cun)的傳(chuan)感器(qi)探頭(tou)形狀(zhuang)加工(gong)💋制作(zuo)成流(liu)量計(ji)樣機(ji)在口(kou)徑爲(wei) 400mm 的管(guan)道👨❤️👨上(shang)進行(hang)流量(liang)測量(liang)，插入(ru)🈲深度(du)也保(bao)持在(zai) 120mm。其測(ce)量得(de)到的(de)‼️體積(ji)流量(liang)與仿(pang)真得(de)到的(de)流量(liang)進行(hang)對比(bi)👈，如表(biao) 3 所示(shi)，其中(zhong)計算(suan)仿真(zhen)❗流量(liang)示值(zhi)所用(yong)的流(liu)速是(shi)上述(shu)得到(dao)的等(deng)效信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍内(nei)的平(ping)均流(liu)速ū。
從(cong)表 3 數(shu)據可(ke)以看(kan)出，樣(yang)機測(ce)得的(de)流量(liang)與仿(pang)真所(suo)得流(liu)量之(zhi)間的(de)誤差(cha)很小(xiao)，其中(zhong)最大(da)的示(shi)值誤(wu)差也(ye)不超(chao)過 －0. 78%，充(chong)分說(shuo)明了(le)可✌️以(yi)用等(deng)效信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍内(nei)的平(ping)均流(liu)✉️速來(lai)代替(ti)被測(ce)管道(dao)截🈲面(mian)内的(de)平均(jun)流速(su)的可(ke)行性(xing)，即驗(yan)證了(le)等♋效(xiao)信号(hao)作用(yong)範圍(wei)的存(cun)在和(he)确定(ding)方法(fa)的正(zheng)确性(xing)。
4 結論(lun)
運用(yong) CFD 方法(fa)對插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計大(da)口徑(jing)管道(dao)流場(chang)🧑🏾🤝🧑🏼進㊙️行(hang)了⁉️仿(pang)真實(shi)驗，通(tong)過與(yu)實驗(yan)數據(ju)進行(hang)對比(bi)，表明(ming) CFD 方法(fa)用于(yu)确定(ding)🎯信号(hao)❗作用(yong)範圍(wei)的可(ke)行性(xing)。且可(ke)以得(de)出以(yi)下結(jie)論:信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍是(shi)由插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)🌈計自(zi)身硬(ying)件決(jue)定的(de)，一旦(dan)一台(tai)插入(ru)式電(dian)磁流(liu)量計(ji)㊙️制作(zuo)出來(lai)其⭐等(deng)效信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍就(jiu)已🐅确(que)定，不(bu)會受(shou)😍到流(liu)體來(lai)流速(su)度的(de)影響(xiang);但當(dang)其磁(ci)路系(xi)統發(fa)👈生變(bian)💰化時(shi)，此時(shi)的信(xin)号作(zuo)用範(fan)圍的(de)大小(xiao)也會(hui)随之(zhi)改變(bian)。這爲(wei)以後(hou)對插(cha)入式(shi)電磁(ci)流量(liang)計插(cha)入管(guan)道後(hou)的流(liu)場分(fen)析提(ti)供了(le)一個(ge)更佳(jia)的途(tu)徑和(he)方法(fa)。
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