摘要：文中插(cha)入式電磁流(liú)量計 在非對(duì)稱溉場中的(de)用問題。通過(guò)GAMBIT前處理軟件(jiàn)建立管道及(ji)流量計的物(wù)理模型，并利(li)用FLUENT進行管道(dào)内水動的仿(páng)真計算。選取(qu)等值面觀察(cha)管道内溉體(ti)的速度、壓力(lì)等物理量的(de)雲圖，失量圖(tú)等可視化圖(tú)像。通過圖像(xiàng)分析得出結(jie)論，直管道部(bu)分的場分布(bù)均勻，而管道(dào)轉彎處的場(chang)由于壓力的(de)作用，産生了(le)非對稱場。靠(kào)近彎管道内(nei)徑的水産生(shēng)了高速場，明(ming)顯高于外徑(jìng)的水速度。因(yin)此要在彎管(guǎn)部分進行多(duō)點測量，以修(xiu)正流量計在(zai)非對稱流場(chǎng)中的測量準(zhǔn)度。
　　随着近些(xiē)年來我國流(liú)量測量水平(píng)的發展，越來(lái)越多種類的(de)流量計廣泛(fan)應用于各種(zhǒng)行業。其中，作(zuo)爲電磁流量(liàng)計中一個種(zhong)類的插入式(shì)電磁流量計(jì)，由于其自身(shēn)結構的輕巧(qiǎo)，安裝拆卸便(biàn)捷，相比制造(zao)費用較高，安(ān)拆與維修都(dou)很不便的普(pǔ)通電磁流量(liang)計而言具有(yǒu)非常大的優(you)勢，從而廣泛(fan)應用于現在(zai)的機械工業(ye)大口徑管道(dào)的流量檢測(cè)中。在國際上(shàng)，由于目前能(neng)源與環保計(jì)量方面的需(xū)求越來越大(dà)，如機械、化學(xué)工業污水流(liu)量的測量等(deng)，各國家發展(zhǎn)插入式流量(liang)計已經成爲(wei)一種趨勢。
　　我(wo)國的插入式(shi)電磁流量計(jì)的研究還在(zai)上升；對于測(ce)量精度的提(tí)高和實物的(de)改進還有着(zhe)很大的提升(shēng)空間，尤其是(shì)在管道排布(bù)複雜、彎管多(duō)、角度大的工(gong)業現場，即在(zai)非對稱流場(chang)下的應用還(hai)需做深入探(tan)讨。
１插入式電(dian)磁流量計的(de)工作原理
　　與(yu)普通的 電磁(cí)流量計 原理(lǐ)相同，插入式(shi)電磁流量計(jì)的測量原理(lǐ)同樣是基宇(yu)法拉第電磁(ci)感虛定律。通(tong)過對目标流(liú)場内某一點(diǎn)流速的測，經(jing)過一系列計(jì)算推導後，得(de)出整個目标(biāo)流場的平均(jun)流速。所以說(shuō)插入式電磁(ci)流量計是一(yi)種點流速的(de)了流量計。
　　以(yi)管道流速測(ce)量爲例，測量(liang)流場時，将流(liú)量計以平行(hang)Ｚ軸，垂直于XOY面(mian)方向插人管(guǎn)遒内部，感應(yīng)電極位位于(yú)流量計尾端(duan)兩側，與水流(liu)方向保持垂(chuí)直，且同屬XOY面(mian)。水流流經流(liú)量計時，做切(qie)割磁感線運(yùn)動，由法拉第(dì)電磁感應定(dìng)律可知，磁場(chang)中會産生電(diàn)動勢E=BD`n表示管(guǎn)道橫截面平(ping)均流速。
流量(liàng)Q=`n A,其中，A表示管(guan)道的橫截面(mian)積，爲定值常(chang)數，進行如下(xià)推倒後得：

　　可(ke)知感應電．動(dong)勢E和流量Q是(shi)線性關系，與(yu)流場内其他(tā)變化的物埋(mái)無關。即可以(yi)通過流量計(jì)對電信号的(de)捕捉來實現(xian)對流場流量(liang)的檢測。
2 數值(zhi)計算方法
FLUEST軟(ruan)件主要包括(kuo)前處理器GAMBIT和(he)後赴理器FLUEST兩(liang)部分，二者相(xiang)輔相成，缺一(yi)不可。
２．１前處理(lǐ)GAMBIT建模
　　仿真計(jì)算前，首先進(jin)行仿真的前(qian)處理，即運用(yong) GAMBIT幾何建模，之(zhī)後對所建模(mo)進行網格的(de)劃分和生成(cheng)，誰知完邊界(jie)條件後輸出(chū)mesh文件。把mesh文件(jian)導入到FLUENT中進(jin)行流體仿真(zhen)計算。
2.2後處理(li)FLUENT仿真計算
　　求(qiu)解計算有以(yǐ)下幾個步驟(zhou)：檢查導入模(mó)型的網格，選(xuan)擇計算模定(ding)義流體材料(liào)性質，設置邊(biān)界條件，求解(jie)方法及其控(kong)制，叠代計算(suan)，檢查保存并(bìng)分析仿真結(jie)果。??
３數值模掀(xiān)仿真與結果(guo)分析
3.1對稱流(liú)場直管道中(zhōng)的仿真模拟(nǐ)
3.1.1圓管流動仿(pang)真
　　首先在GAMBIT中(zhong)簡曆半徑0.1m，長(zhǎng)度4m的長直圓(yuán)管物理模型(xing)采用六面體(tǐ)網格劃分管(guǎn)道模型，如圖(tú)1所示。
定義邊(bian)界條件後輸(shū)出mesh文件，啓動(dong)FLUENT仿真計算。
　　叠(dié)代計算後，查(cha)看結果，通過(guò)圖1可以看出(chū)圓管内的速(sù)度值程同心(xin)圓分布，越靠(kao)近中心處速(sù)度越大，在靠(kào)近管壁的區(qu)域，速度幾乎(hū)爲零。管道内(nei)的流速穩定(ding)正常。

3.1.2插入(rù)式電磁流量(liàng)計後的圓管(guan)流動仿真
　　管(guan)道模型依然(rán)選取半徑0.1m，長(zhang)4m的圓管， 流量(liàng)計 算模型爲(wei)半徑2cm的圓柱(zhù)體。跟管道和(he)流量計相比(bi)，電極很小，對(duì)流場造成影(ying)響可以忽略(lue)不計，因此在(zài)建模時可以(yi)忽略電極，簡(jian)化幾何結構(gou)。流量計起阻(zu)擋水流作用(yong)。管道及流量(liang)計建立模型(xing)圖如圖2所示(shì)。

　　運用GAMBIT建模(mo)劃分網格，其(qí)中在體網格(gé)的劃分上Element選(xuǎn)擇Hex，Type選擇Cooper。管道(dao)模型最終劃(hua)分成的網格(ge)如圖3所示。定(dìng)義水流的入(ru)口及出口，流(liú)量計模型位(wèi)于左側水流(liu)入口處1m位置(zhi)。導入FLUENT求解計(ji)算。定義求解(jiě)器定水的流(liú)速設置爲1m/s。叠(dié)代計算後，輸(shu)出結果圖組(zǔ)。

　　由于(yu)三維模型的(de)計算結果不(bu)方便查看，所(suǒ)以通過創建(jiàn)電極所在的(de)等值面來觀(guān)察電極所在(zai)區域周圍的(de)流場，選取Z=0.06m平(píng)面來輸出壓(yā)力和速度等(deng)值線及雲圖(tu)。選擇速度雲(yun)圖放大觀察(cha)，如圖4所示。

　　根據選取(qu)面放大後的(de)速度雲圖觀(guan)察可以看出(chū)，水流流經流(liu)量計的時候(hou)，兩側的電極(jí)周圍的流場(chǎng)受圓柱繞流(liu)影響，産生了(le)高速流場，水(shuǐ)流無法很好(hǎo)地貼合流量(liàng)計後半段壁(bi)面流動，緻使(shǐ)流速減小，邊(bian)界層出現分(fen)離，産生尾渦(wo)流區。尾渦區(qu)在一定程度(du)上破壞了周(zhōu)圍流場的穩(wěn)定性。
　　由于傳(chuan)統型插入式(shì)電磁流量計(ji)的自身形狀(zhuang)不可避免的(de)會對所測流(liu)場産生一定(dìng)幹擾，因此需(xu)要采用機械(xiè)工藝方面的(de)設計對其自(zi)身物理結構(gou)進行改良。
3.2非(fei)對稱流場彎(wān)管道中的仿(páng)真模拟
3.2.1非對(dui)稱流場彎管(guǎn)道中水流動(dong)的模拟
　　根據(ju)之前直菅水(shui)流場的模拟(nǐ)可知，在直管(guan)中水流是均(jun1)勻穩定的。而(ér)管道相互連(lián)接的彎管部(bù)分其内部的(de)流動會引起(qǐ)很大的壓力(lì)降，對流體流(liu)經轉彎處後(hou)的速度也會(huì)有一定的影(ying)響。
　　保持直管(guǎn)部分與之前(qian)的尺寸不變(bian)，彎管處采用(yong)半徑4倍管徑(jìng)即0.4m的90°彎管。簡(jiǎn)曆物理模型(xing)，如圖5所示，劃(hua)分網格，設定(dìng)邊界條件後(hòu)求解。

　　叠代(dai)計算後，觀察(cha)輸出的速度(du)雲圖和壓力(li)雲圖，如圖6和(hé)圖7所示。可以(yǐ)看出彎管處(chù)出現了壓力(li)降，内徑速度(du)明顯大于外(wai)徑。再通過放(fang)大的速度矢(shǐ)量圖可以看(kàn)出，轉彎處的(de)内徑高速水(shui)流沿外徑流(liu)出，并且速度(dù)下降逐漸恢(hui)複轉彎錢的(de)速度，出彎後(hòu)的内徑部分(fen)幾乎無流速(su)，經過一定管(guan)長後恢複勻(yún)速。

所以說彎(wan)管部分的流(liu)場是不均勻(yun)的，是非對稱(chēng)流場。
3.2.2插入式(shi)電磁流量計(jì)後的彎管流(liú)動仿真
　　在多(duo)數現場環境(jìng)下，長直管較(jiào)少，短直管居(jū)多，然而接近(jin)彎管處的流(liú)體分布是不(bú)對稱拟合流(liú)場，這與對稱(chēng)流場下的多(duo)點流速洩露(lu)及數據分析(xī)會有較大出(chu)入，因此在彎(wan)管部分的檢(jiǎn)測要重新選(xuan)取不同的點(dian)進行檢測。
　　保(bǎo)留上一小節(jie)中彎管道物(wù)理模型不變(bian)，以水流流向(xiang)作參考，在靠(kao)近彎管入口(kǒu)和出口0.1m處分(fèn)别插入流量(liang)計模型，進行(hang)多次測量，除(chu)了流量計插(cha)入位置其餘(yu)物理量保持(chi)不變。
　　劃分網(wang)格，網格類型(xing)選擇六面體(tǐ)Hex,劃分方法設(she)置爲Cooper即把整(zhěng)個模型體依(yī)據2指定的源(yuán)面來劃分，設(she)置網格步長(zhang)Space爲3.設定邊界(jie)條件，管道入(ru)口選擇VEOCITY，水流(liu)速設定爲1m/s，出(chū)口選擇OUTFLOW，其餘(yu)各邊默認爲(wèi)壁面WALL。輸出網(wǎng)格，導入FLUENT求解(jie)器進行求解(jiě)。
　　由于現場實(shí)際情況中，工(gōng)業管道會按(an)照現場需要(yao)進行安置排(pai)布，即橫向豎(shù)向多角度轉(zhuan)彎，管内流體(ti)是湍流流動(dòng)，流場基本上(shàng)是不定常的(de)，因此在定義(yì)求解器時，要(yào)用非穩态的(de)求解器進行(hang)模拟計算，即(ji)在Time選項中選(xuǎn)擇非定常Unsteady。其(qí)他計算模型(xing)設定，管内湍(tuan)流模型分布(bù)方程的離散(san)模式設定爲(wei)k-epsilon即二階迎風(feng)差分格式，并(bing)采用SIMPLEC算法進(jin)行修正。然後(hou)定義管道内(nei)的流體材料(liào)，本次仿真實(shi)驗使用液态(tai)水爲管道内(nèi)的流體。在材(cai)料下拉列表(biao)中選擇，water-liquid（h20<1>）邊界(jiè)條件，inlet入口邊(biān)界條件定義(yì)水流速爲1m/s。湍(tuan)流強度Turbulent Intensity和水(shui)力直徑Hydraulic Diameter選項(xiang)分别輸入5和(he)0.04。
設置求解參(can)數，初始化及(jí)殘差圖後，保(bǎo)存文件進行(hang)叠代計算。
　　叠(die)代計算後，殘(cán)差圖均呈收(shou)斂狀态。選擇(zé)Z=0.06m平面分别觀(guān)察速度及壓(yā)力雲圖。流量(liàng)計在靠近彎(wān)管入口處0.1m的(de)輸出結果如(rú)圖8和9所示。

　　可(ke)以看出轉彎(wān)處依舊出現(xian)壓力降，由于(yu)壓力的作用(yong)，在水流在内(nei)徑的速度大(da)于外徑，流量(liang)計兩側産生(sheng)告訴流場，兩(liang)側電極可以(yi)檢測到明顯(xiǎn)的信号，但由(you)于内外徑流(liu)速的不同，兩(liǎng)電極所檢測(ce)的信号有一(yī)定量差，流量(liang)計尾部速度(du)幾乎爲零。
再(zai)觀察流量計(jì)在靠近彎管(guan)出口處0.1m的輸(shu)出結果組圖(tu)，如如10、圖11所示(shì)。


　　流量計的尾(wěi)渦區對水流(liu)出彎後的直(zhi)管部分流場(chang)有一定的影(yǐng)響，流量計電(dian)極兩側所檢(jiǎn)測到的信号(hao)由于彎管處(chu)壓力降的作(zuò)用存在量差(chà)，并且速度要(yào)略大于入口(kǒu)處。
　　經過以上(shang)對比實驗證(zhèng)明，需要在彎(wan)道入口及出(chu)口部分選取(qu)垂直與XOY面不(bú)同深度的點(diǎn)來進行測量(liàng)，從而得到流(liú)量計在非對(duì)稱條件下測(ce)速的理想修(xiu)正函數。
4結論(lun)
（1）通過多次實(shí)驗，分析仿真(zhēn)結果，對物理(lǐ)模型網格的(de)劃分精度及(jí)參數的調整(zhěng)校正，最終使(shi)殘差圖呈現(xiàn)收斂狀态。通(tōng)過對輸出圖(tu)組的觀察分(fèn)析，基本準備(bèi)模拟出管道(dào)中的流場分(fen)布，同事得出(chu)插入式電磁(ci)流量計對流(liú)場分布影響(xiǎng)。
（2）由于工業現(xian)場幻想彎管(guǎn)道居多而長(zhǎng)直管較少，因(yīn)此在實際測(ce)量時考慮到(dào)非對稱流場(chang)對流量計測(ce)量精度影響(xiǎng)，需要在靠近(jìn)彎道的不同(tong)點進行測量(liang)以修正測量(liàng)結果，保證精(jīng)度。
（3）由于圓柱(zhu)型的流量計(jì)的尾流對所(suǒ)測流場穩定(dìng)性有一定影(ying)響，可以通過(guò)機械工藝加(jiā)工對流量計(jì)的外形進行(hang)改良，盡可能(néng)減少尾流，保(bǎo)證流場的穩(wěn)定性。

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