【摘要】通(tong)過ICEMCFD軟件(jiàn)将局部(bu)截面變(bian)爲橢圓(yuán)形的異(yì)徑導⭐流(liu)筒進行(háng)了😄三維(wéi)建模，使(shi)用Fluent對不(bú)同入口(kǒu)速度下(xià)的流線(xiàn)場與速(sù)度分布(bù)進行仿(páng)真計算(suan)，建立了(le)不同結(jié)✔️構的導(dǎo)流筒所(suǒ)适用的(de)⛷️速度範(fàn)圍.結果(guo)表明，速(sù)度的大(da)小和橢(tuǒ)圓截面(mian)離心率(lǜ)對流場(chang)産生的(de)影響較(jiao)大🈲.當速(sù)度減小(xiao)或離心(xīn)率變大(da)時，導流(liu)筒🛀🏻尾部(bù)漸擴管(guan)容易發(fā)生回流(liu)，緻使流(liu)場紊亂(luan).本研究(jiū)能爲橢(tuo)圓形管(guan)道電磁(ci)✂️流量計(jì)的結構(gòu)💯設計提(tí)供♻️參考(kǎo)方案，爲(wèi)設計合(hé)理的導(dǎo)流筒提(tí)供理論(lùn)依據.
　　電(diàn)磁流量(liàng)計 是工(gong)業過程(cheng)中用于(yú)計量導(dǎo)電性流(liú)體體積(jī)流量的(de)儀表［1］，當(dāng)前🌐國内(nèi)使用大(dà)多電磁(ci)流量計(jì)爲圓形(xíng)截面導(dǎo)流筒.然(rán)而，電磁(ci)流🐆量計(jì)對被測(ce)管道内(nèi)的流場(chǎng)有一定(dìng)的要求(qiú)，流場的(de)不穩定(ding)會使得(dé)流量計(ji)示值不(bu)穩定，緻(zhì)使✔️測量(liang)誤差加(jia)大［2－3］.爲了(le)解決這(zhe)些問題(tí)，本文提(tí)出橢圓(yuan)形截面(miàn)管道設(shè)計方案(àn).
　　針對橫(heng)截面爲(wei)不同離(li)心率橢(tuǒ)圓形的(de)導流筒(tǒng)，對在不(bu)同入口(kou)🤟速度下(xia)流場的(de)流動性(xing)與速度(du)分布進(jìn)行Fluent仿真(zhēn)🌂，欲爲合(he)理的導(dǎo)🤩流筒提(tí)供理論(lùn)依據.
1異(yì)徑管結(jié)構的電(diàn)磁理論(lùn)分析
　　電(diàn)磁流量(liàng)計是基(ji)于法拉(la)第電磁(cí)感應定(ding)律而開(kāi)發的計(jì)量儀表(biǎo)［8］.通電後(hou)的勵磁(ci)線圈在(zài)導流筒(tong)垂直方(fang)位産生(shēng)磁感應(ying)強度爲(wei)Ｂ的工作(zuò)磁場，待(dài)導電流(liu)體穿🐅過(guo)時，在液(yè)體兩🌍側(ce)産生感(gan)應電動(dong)勢Ｅ，通過(guo)對相應(yīng)的電動(dong)勢進行(háng)信号處(chu)理而實(shi)現🐆體積(jī)流量的(de)準确測(cè)⛱️量.感應(yīng)電動勢(shi)大小爲(wèi)
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
　　式（1）中：Ｂ爲(wèi)工作磁(ci)場中的(de)磁感應(yīng)強度；Ｖ爲(wèi)導電液(ye)體流速(sù)；Ｄ爲測量(liàng)導管内(nèi)徑.
　　導電(diàn)流體的(de)速度Ｖ與(yǔ)工作磁(cí)場内的(de)磁感應(ying)強度Ｂ都(dou)是有⁉️方(fang)向性的(de)矢量，但(dan)各質點(dian)的速度(du)爲非均(jun1)勻分布(bù)，當流體(tǐ)的流速(su)很小時(shí)，會産生(sheng)很小感(gǎn)應電動(dòng)勢，與噪(zào)音🙇‍♀️混合(he)後使得(de)測量誤(wu)差增大(da)，從而影(yǐng)響到設(she)✊備的穩(wen)定性和(he)可靠性(xing).其中Ｅ的(de)數值由(you)電極測(cè)量，單位(wei)時間内(nèi)管道流(liú)量計算(suan)📐公式爲(wèi)

　　在電磁(cí)流量計(ji)的勵磁(ci)線圈中(zhōng)，電流爲(wei)Ｉ，匝數爲(wei)Ｎ，穿過工(gong)作區域(yù)的磁路(lù)長度均(jun1)值爲Ｌ，可(kě)得磁阻(zu)Ｒm與磁通(tōng)勢Ｆ爲

　　式(shì)中Ｓ爲磁(cí)路的平(ping)均面積(ji)，μ爲介質(zhi)磁導率(lü).由磁場(chang)歐姆✏️定(ding)律［9］可得(dé)磁通量(liang)f

　　由（6）式可(ke)知，磁感(gǎn)應強度(du)Ｂ與磁路(lù)長度平(píng)均值Ｌ成(cheng)反比，與(yu)通過勵(lì)磁線圈(quan)的電流(liu)Ｉ成正比(bi).相比起(qi)均勻的(de)圓形管(guan)道，橢圓(yuán)導流筒(tǒng)内的工(gōng)作磁場(chang)縮小了(le)Ｌ值，在産(chan)生同等(deng)磁感應(yīng)強度Ｂ的(de)條件下(xia)㊙️，勵磁線(xian)圈中的(de)電流将(jiāng)小于前(qian)者，從而(er)可📐降低(di)電磁流(liú)量計的(de)功耗.
2Fluent模(mo)型建立(lì)與參數(shù)設置
　　使(shi)用ICEMCFD建立(lì)橢圓截(jie)面導流(liu)筒的模(mo)型.導流(liú)筒的中(zhong)間部分(fen)❗爲橢圓(yuan)🔞管，兩側(ce)均爲橢(tuǒ)圓形漸(jiàn)變爲圓(yuan)形的漸(jian)擴管.導(dao)流筒半(bàn)長軸與(yǔ)Ｘ軸平行(hang)，長度35mm，半(bàn)短軸與(yu)Ｙ軸平行(hang)，長度28mm，短(duan)長半軸(zhou)之比⭐爲(wèi)4/5，橢圓離(lí)心率爲(wèi)0.60，長88mm.兩端(duān)漸擴管(guan)最外側(ce)圓形的(de)半徑爲(wei)50mm，各⚽長81mm.導(dǎo)流筒總(zong)長250mm.該模(mó)型的對(dui)象爲在(zai)中間直(zhi)管段具(ju)有均勻(yun)⭐磁場分(fen)布的橢(tuǒ)圓截面(miàn)管道的(de)電磁流(liú)量計将(jiang)導流筒(tong)兩端⭐分(fen)别定義(yì)爲出口(kou)與出口(kou).流體♻️在(zài)入口邊(bian)💛界以固(gù)定速度(dù)垂直與(yǔ)入口邊(biān)界流入(rù)，在出口(kou)邊界自(zì)🚩由流出(chū)，忽略重(zhòng)力.定義(yi)其他區(qu)域爲壁(bi)面，最後(hòu)以四面(miàn)體結❤️構(gòu)對模型(xing)進行網(wang)格劃分(fèn)，如圖1所(suǒ)示.單元(yuán)格數量(liang)爲204萬，網(wang)😍格質量(liang)評價系(xi)數爲：0.65～0.70（2.5%）；0.70～0.90（8.6%）；0.90～1.0（86.2%）.該(gai)三🚶‍♀️維模(mo)型網格(gé)質量能(neng)夠滿足(zú)精度和(hé)收斂要(yào)求.文中(zhong)其它💛結(jie)構的三(san)維模型(xíng)網格，其(qi)類型與(yǔ)上述一(yi)緻，網格(gé)質量基(jī)本🌈相🈲同(tóng).

　　設置(zhi)模型爲(wèi)ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模(mo)型［10］，模拟(ni)對象爲(wèi)液體水(shui)，仿真将(jiang)以🎯入口(kou)流速分(fen)别爲小(xiao)流速0.1m/ｓ、0.3m/ｓ與(yu)大流速(sù)5.0m/ｓ的條件(jian)下進行(háng).
3速度場(chǎng)仿真結(jié)果分析(xī)
　　以不同(tóng)進口速(su)度對該(gai)結構導(dǎo)流筒進(jìn)行流場(chǎng)仿真，求(qiu)解後使(shǐ)用軟件(jiàn)提取數(shu)據.由于(yú)磁場方(fāng)向平行(hang)于Ｙ軸，故(gù)圖2至圖(tu)15是在選(xuǎn)取了與(yǔ)Ｙ軸垂直(zhi)的ＸＯＺ坐标(biao)平面，并(bìng)觀察速(sù)度雲與(yu)🤟流線分(fèn)布圖，計(jì)⛱️算結果(guǒ)如下.
3.1小(xiao)流速下(xià)的仿真(zhēn)分析
　　取(qǔ)流入速(su)度爲0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設(she)置仿真(zhēn)計算的(de)叠代步(bu)數爲300，過(guo)程中分(fèn)别在第(dì)211步、第186步(bu)時計算(suàn)結果收(shou)斂，流量(liang)計流道(dao)🌈區域内(nèi)可視爲(wèi)📞穩态的(de)定常流(liú)動.管内(nèi)速度雲(yun)圖如圖(tú)2、圖3，流線(xiàn)圖如圖(tú)4、圖5.


　　由圖(tú)2、圖3可知(zhi)，在進口(kǒu)速度爲(wei)0.1m/ｓ與0.3m/ｓ條件(jian)下，速度(dù)雲圖無(wu)明顯🌏差(chà)别，平🐅面(miàn)直管段(duàn)的速度(dù)分布的(de)上下對(dui)稱性✔️較(jiào)高，靠管(guǎn)壁速度(du)小🏃，中間(jiān)💰大，出口(kou)流體向(xiàng)兩側流(liu)動，中間(jiān)區流速(sù)小❤️.

　　如圖4、圖(tu)5，當入口(kou)速度爲(wei)0.1m/ｓ時，末端(duān)發生回(huí)流現象(xiàng)，但中間(jian)直❄️管段(duan)流場平(ping)穩，沒有(you)受到尾(wěi)部回流(liú)影響.當(dāng)初始速(su)㊙️度增🥵加(jiā)爲0.3m/ｓ時尾(wei)部的回(hui)流減弱(ruo).
3.2大流速(sù)下的仿(pang)真分析(xi)
　　設置進(jìn)口速度(du)爲5.0m/ｓ，設置(zhi)仿真計(ji)算的叠(die)代步數(shù)爲300，過🈚程(chéng)中在第(dì)❌96步計算(suàn)結果受(shou)斂，可視(shì)爲定常(chang)流動.速(sù)度雲圖(tú)如圖6.

　　中(zhōng)間直管(guan)段内靠(kao)管壁處(chu)速度小(xiao)，中間大(dà)，速度分(fen)布的上(shang)下對稱(cheng)性較高(gāo).在圖7中(zhōng)，當流速(sù)增加爲(wèi)5.0m/ｓ時，中間(jiān)直管段(duàn)與尾部(bu)漸擴管(guǎn)的流場(chang)非常平(ping)穩，無回(huí)流現象(xiàng).

　　綜合圖(tu)4、圖5、圖7可(ke)見，随着(zhe)流體速(sù)度增加(jia)，回流減(jian)弱.綜合(he)3.1與3.2，流道(dao)域内均(jun)爲穩态(tai)的定常(cháng)流動，且(qiě)流場平(ping)穩，速度(dù)分布對(dui)稱性較(jiao)高，故該(gāi)結構的(de)電磁流(liú)量計在(zài)💋大小流(liu)♻️速條件(jiàn)下的使(shǐ)💋用均是(shì)可行的(de).
4離心率(lü)對流場(chǎng)的影響(xiǎng)
4.1離心率(lü)爲0.8
　　中間(jian)橢圓截(jie)面直管(guan)段短長(zhǎng)半軸之(zhi)比爲3/5，離(lí)心率0.8.分(fèn)别定☂️義(yi)入口速(su)度爲0.1m/ｓ、5.0m/ｓ，在(zài)此條件(jiàn)下使用(yòng)Fluent進行模(mó)拟計算(suàn)，過程中(zhong)分别在(zai)第263步、192步(bu)時計算(suan)結果收(shou)斂，可視(shi)爲定常(cháng)流動.結(jie)果如圖(tu)8至圖10.


　　入(ru)口速度(du)爲0.1m/ｓ時（圖(tu)8、圖9），中間(jiān)直管段(duan)内靠近(jìn)但不接(jie)觸管壁(bì)🌏的🔴位置(zhì)流速大(da)，中間小(xiǎo).速度分(fen)布的上(shàng)下對稱(cheng)性較高(gāo)，流♌道域(yù)尾部出(chū)現回流(liu)現象，但(dàn)中間直(zhí)管端📐的(de)流場依(yi)然平穩(wěn).當入口(kǒu)速度增(zeng)加至5.0m/ｓ時(shi)（圖10、圖11），中(zhōng)間直管(guan)段内速(sù)度分布(bù)基本均(jun1)勻，尾部(bù)回流消(xiāo)失，流場(chǎng)🏃整體平(ping)穩.

　　縮徑爲(wèi)0.8離心率(lü)的橢圓(yuán)截面電(diàn)磁流量(liàng)計在初(chu)始流速(su)爲⭐0.1m/ｓ與❗5.0m/ｓ條(tiáo)件下均(jun1)爲穩态(tài)流動，速(sù)度分布(bù)對稱，直(zhi)管内流(liú)場平穩(wen)，那🥰麽該(gāi)⁉️結構導(dao)流筒的(de)電磁流(liú)量計在(zai)大小流(liú)♈速條件(jian)下的使(shǐ)😄用均是(shi)可行的(de).
4.2離心率(lǜ)爲0.916
　　半長(zhǎng)軸長35mm，半(ban)短軸長(zhǎng)14mm，短長半(ban)軸之比(bǐ)2/5，離心率(lǜ)0.916.分别設(she)置💋入口(kou)🏃‍♀️速❌度在(zai)0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的條件(jian)下通過(guo)Fluent進行模(mó)拟仿真(zhen)，設置計(jì)算叠代(dai)步數❌爲(wèi)1000，過程中(zhōng)⚽各點的(de)速度值(zhí)随時間(jiān)産🤞生無(wú)規🌏律變(biàn)化，無法(fǎ)收斂.圖(tu)11至♊圖14爲(wèi)步🌈數等(deng)于1000時瞬(shùn)😘時結果(guo)的☁️抓取(qu).

　　由圖12、圖(tú)13可知，當(dang)入口速(sù)度爲0.1m/ｓ時(shí)，導流筒(tǒng)内速度(du)分布無(wu)明💛顯規(guī)律❌，存在(zài)較大的(de)流場畸(jī)變.因爲(wèi)導流筒(tong)兩側産(chǎn)生的感(gǎn)應電動(dong)勢與流(liú)速成正(zheng)比，且流(liú)量計是(shì)根據流(liu)🈲速值計(jì)🔞算出一(yī)定時間(jian)内通過(guo)管道的(de)體積🌈流(liú)量，所以(yi)在非穩(wen)态流場(chǎng)條件下(xià)流量計(jì)檢測到(dào)的👅是大(dà)小搖擺(bai)不定的(de)感應電(dian)動勢，爲(wèi)體積流(liu)量的計(jì)🐇算造成(chéng)許多㊙️不(bu)确定因(yin)素，還降(jiàng)低了計(jì)量精度(dù)✨.
　　設置流(liu)入速度(dù)爲5.0m/ｓ，計算(suàn)過程中(zhōng)第117步收(shōu)斂，流場(chǎng)可視爲(wèi)達到穩(wen)定狀态(tài).如圖14、圖(tú)15所示，流(liú)場分布(bu)平穩，中(zhōng)間直管(guǎn)段内速(sù)度♌場分(fen)布基♌本(běn)均勻，與(yu)其它結(jié)構導流(liú)筒在該(gai)速度下(xia)的分布(bù)😄無明顯(xian)🥵區别.綜(zōng)🐕合圖12至(zhi)圖15可⭐知(zhi)，截面離(lí)心率變(bian)爲0.916時的(de)導流筒(tong)在入口(kǒu)速度增(zēng)大⚽到一(yi)定值後(hòu)❌，流場穩(wen)定.

5不同(tóng)結構導(dǎo)流筒所(suo)适應的(de)速度區(qu)間
　　在完(wán)成不同(tong)結構導(dao)流筒在(zai)小流速(sù)與大流(liú)速情況(kuang)下的仿(pang)真之後(hòu)，對入口(kou)流速分(fen)别爲0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的(de)條件下(xià)進行🛀模(mó)拟計算(suàn)👌.以流場(chang)速度分(fèn)布爲判(pan)據，得出(chū)了不同(tóng)結構橢(tuo)圓管所(suǒ)适♌應的(de)速度區(qu)間.由表(biao)1可知：截(jié)面離心(xīn)率爲0.600和(hé)0.800的橢圓(yuan)形導流(liu)筒的速(sù)度均适(shì)用于大(da)流速㊙️與(yu)小流速(sù)，而截面(miàn)離心率(lǜ)爲0.916的導(dao)流筒卻(què)不适用(yong)于小流(liú)量的條(tiao)件，當該(gāi)結構導(dao)流筒的(de)入口流(liu)速✊達到(dào)🏃0.8m/ｓ及以上(shang)時，内部(bù)流場分(fen)布才被(bèi)接受.雖(suī)橢圓變(bian)扁，磁路(lù)長度平(ping)均值Ｌ減(jian)小，緻使(shi)所需勵(lì)磁電流(liú)Ｉ減小，降(jiàng)低了設(she)備功耗(hao)，但縮徑(jing)量過大(dà)會犧牲(sheng)測速量(liang)程，導緻(zhì)⭕量程下(xià)限升高(gao)，小流量(liàng)的狀态(tài)下不再(zài)适用.

6結(jie)論
本文(wen)針對局(ju)部變爲(wèi)橢圓形(xing)截面的(de)異徑導(dǎo)流筒進(jìn)行了模(mó)🐆拟仿真(zhen)計算.得(de)出結論(lun)如下：
1）減(jian)小磁路(lù)長度平(píng)均值Ｌ，在(zai)産生同(tóng)等磁感(gǎn)應強度(du)Ｂ的條件(jian)下，可🧡減(jian)小勵磁(ci)線圈的(de)電流Ｉ，從(cóng)而提升(sheng)流量計(jì)的靈敏(min)度，降低(dī)功耗.
2）當(dāng)橢圓離(li)心率增(zēng)大到一(yī)定值時(shí)，尾部漸(jian)擴管便(bian)會出現(xian)明🏃🏻‍♂️顯的(de)回流現(xiàn)象，緻使(shǐ)流量計(ji)量程下(xia)限升高(gao)，不再适(shi)用于低(dī)速計🌐量(liang).
3）入口速(sù)度對管(guan)内速度(dù)場的影(yǐng)響頗爲(wèi)重要，大(da)流速在(zài)導流☎️筒(tong)各部位(wei)的流場(chang)較平穩(wen)，小流速(su)則容易(yì)發生回(huí)♊流現象(xiang)，随💚着入(rù)口速度(du)降低，回(huí)流更顯(xian)著.
4）離心(xin)率爲0.8的(de)橢圓截(jié)面導流(liú)筒可最(zui)大條件(jian)下滿足(zú)縮徑和(he)流場要(yao)求，該尺(chi)寸适合(hé)在流量(liàng)計中使(shǐ)用.

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