摘要(yao)：采用Fluent軟件對(duì)圓形截面漸(jian)變爲矩形截(jie)面的異徑管(guan)道流場進行(hang)蘭維建模和(hé)數值仿真，分(fèn)析了橫截面(miàn)收縮異徑管(guǎn)的速度分布(bù)和流線，建立(li)了矩形截面(miàn)部分的長度(du)、寬度⭕、高度與(yu)👌進出口壓力(lì)損失和中心(xin)截面🌈平均速(su)度之間的關(guan)系.研究表明(ming)，中間矩形截(jié)面部分的寬(kuān)度和高度對(duì)進出口壓損(sǔn)和中心截面(mian)平均速度🧡影(yǐng)響較大，同時(shí)橫截面積收(shou)縮比例太大(da)會導緻流場(chǎng)紊亂和回流(liú)現象，從而爲(wei)合理設計局(ju)部橫截面積(ji)收縮的電磁(cí)流量測量管(guǎn)道提供了理(lǐ)論依據.
　　目前(qian)國内生産的(de)電磁流量計(ji) 測量管道多(duo)爲均勻圓管(guan)，應用領域越(yuè)來越廣.然而(er)🏃‍♂️電磁流量✊計(ji)🥰在原理上要(yào)求管道流速(sù)爲中心軸對(dui)稱分布，這樣(yàng)，具有均勻磁(cí)場和點電極(ji)的電磁流量(liàng)👌計的輸💞出信(xìn)号與流速成(cheng)正;同時電磁(ci)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流量計在低(di)流速的小流(liú)量測量時，可(kě)靠性和精度(dù)都不太理想(xiang)☔.所以，如何在(zai)低流速小流(liú)量下實現流(liú)量的精确測(ce)量和低功耗(hao)設計成爲人(ren)們關注的熱(rè)點[1-2J爲了适應(yīng)🌐低功耗設計(jì)要求📞，目前在(zai)🥰電磁流量🌐計(jì)的勵磁方式(shi)、管道結構、硬(ying)件電路✊和電(diàn)極形狀等方(fāng)☔面進行了不(bú)👣斷改進并取(qǔ)得了不同☁️程(cheng)度的進展.
　　對(duì)于異徑管道(dào)，目前國内的(de)相關文獻較(jiào)少.主要是通(tong)過在原來圓(yuán)形橫截面管(guǎn)道的基礎上(shang)增加縮徑圓(yuan)管，再采用小(xiao)口徑傳統電(dian)磁流量計對(dui)增速的流量(liàng)進行測量[町(dīng)，以提高測量(liang)精度.Heijnsdijk[7J等把縮(suō)徑作爲電磁(cí)流量計管道(dào)結構的一部(bù)分，并設計了(le)不同形狀的(de)中間管道截(jie)面.Korsunskii[町等證🌂明(míng)對于矩形截(jie)面管道，電🔞極(ji)上的感應信(xìn)号不依賴于(yu)流速分布.Lim[9J對(dui)傳統的電磁(ci)流量計進行(háng)改進，設計了(le)長方體❓管道(dao)結構和磁場(chang)結構，分析了(le)矩形電極的(de)權重函數分(fen)布.
　　橫截面積(ji)局部收縮爲(wei)矩形的電磁(cí)流量測量管(guǎn)道👉内的速度(du)分布、壓力損(sǔn)失和流動特(tè)性進行Fluent仿真(zhen)，欲🈲爲合理的(de)電磁流量計(ji)管道結構設(shè)計提供一定(ding)依👨‍❤️‍👨據.
1電磁流(liú)量計原理
　　電(diàn)磁流量計是(shì)一種根據法(fa)拉第電磁感(gǎn)應定律來❓測(ce)量導電液體(ti)體積流量的(de)儀表.其勵磁(ci)線圈将磁場(chang)施📧加給被測(cè)流體，從而通(tong)過檢測磁場(chang)中運動流體(tǐ)的感應電動(dong)勢并進行相(xiàng)應的信号處(chu)理來實現流(liú)量的準确測(ce)量。
對于圓形(xing)管道電磁流(liú)量計，輸出信(xìn)号電壓爲:
E=B×`n×D(1)
式(shi)中:E爲感應電(diàn)動勢，B爲磁感(gan)應強度，`n爲運(yùn)動平均速度(du)🎯，D爲兩電極之(zhi)間的距離(對(duì)于圓形管道(dào)，D爲測量管内(nei)徑).
假設管道(dào)的橫截面積(ji)爲A，流量爲q，則(zé)(1)式爲:

在建立(lì)電磁流量計(jì)這個基本方(fāng)程的過程中(zhong)作了如⛱️下假(jiǎ)設；
1)流體磁導(dǎo)率μ均勻，且等(děng)于真空中磁(ci)導率，即流體(ti)是非磁性的(de);
2)流體的電導(dao)率均勻，并滿(mǎn)足Ohm定律;
3)流體(ti)中位移電流(liu)可忽略;
4)磁場(chǎng)在無限大範(fan)圍内，磁感應(yīng)強度B是均勻(yun)分布;
5)充分發(fā)展流，對圓管(guan)而言呈軸對(duì)稱分布.
　　式(1)表(biao)明感應電動(dòng)勢正比于平(píng)均流速.但當(dāng)流體的流速(sù)很低時，産生(shēng)的感應電動(dong)勢很小，難以(yi)同噪聲進行(háng)區分，緻使♻️測(cè)量誤差增大(da).因此，限制了(le)電磁流量計(jì)的測量下限(xiàn)，對儀表的靈(ling)敏度、穩定性(xing)和可靠性産(chan)生影響.異徑(jìng)管🔅設計要求(qiu)在不改變原(yuán)流場特🙇🏻性的(de)條件下，适當(dāng)縮徑以增加(jiā)流速來提高(gao)測量靈敏度(dù).而矩形截面(miàn)管道相對于(yu)圓形截面管(guǎn)道，電極上的(de)感應信号不(bu)依賴于管道(dao)橫截面的流(liu)速分布[12J?Bevir[13J證明(míng)在磁場均勻(yun)和電極形狀(zhuang)爲矩形的條(tiao)件下，這種依(yi)賴性很小，可(kě)忽略不計.
電(dian)磁流量計的(de)勵磁電路，線(xian)圈臣數N，勵磁(cí)電流I，磁通勢(shi)F爲:

　　由(7)式可知(zhī)，磁感應強度(du)B與勵磁電流(liú)成正比，與磁(ci)路的平均🚩長(zhǎng)度L成反比.對(duì)于相同勵磁(cí)電路、相同兩(liǎng)電極之間距(ju)✂️離D和㊙️相等管(guǎn)道橫截面積(ji)的圓管和矩(ju)形管，矩形管(guǎn)的高度h小于(yu)圓管直徑D.假(jia)設磁路與管(guǎn)道☁️之間的距(ju)離爲hw，管道橫(héng)截面積爲圓(yuán)形和❓矩形的(de)磁路平均長(zhǎng)度L分别爲h+2hw和(he)D+2hw·因此，勵磁電(diàn)流相同時矩(ju)形管道磁感(gǎn)應強度大于(yú)圓形管道的(de)磁感應強度(dù).若需要得到(dao)相同磁感應(ying)強度B，矩形截(jié)面管道所需(xū)勵磁電流較(jiào)小，可提高🌈電(diàn)磁流量計的(de)低功耗特性(xìng).
2模型仿真
2.1模(mo)型的建立與(yǔ)網格的劃分(fen)

2.2Fluent内部(bu)參數設置
　　對(dui)Fluent中的各參數(shù)設置如下:模(mó)型求解方法(fǎ)選擇默認設(she)置的非搞合(hé)求解方法;定(dìng)義流體的物(wù)理性質爲水(shuǐ);選🌍用k-f.揣流模(mó)型[15J初始流速(su)0.1m/s和5m/s，水力直徑(jing)50mm，Yi白流強度分(fen)别爲5.5%和3.38%.
3仿真(zhēn)結果分析
3.1異(yì)徑管道流場(chǎng)分布
　　對局部(bu)矩形橫截面(miàn)的異徑管道(dao)，在矩形部分(fen)長度80mm，寬度38mm，高(gao)㊙️度20mm，管💋道總長(zhang)200mm的條件下采(cǎi)用Fluent軟件進行(hang)流場❌仿真，管(guan)道初始流速(sù)☀️分别爲0.1m/s低流(liu)速和5m/s最大流(liu)速.其壓損和(hé)中心截🌂面平(píng)均速度如表(biǎo)1:

　　表1指出低流(liu)速0.1m/s時異徑管(guǎn)道中間流速(su)增加2.58倍，提高(gao)了測量❗靈☂️敏(min)度和精确度(dù).初始流速5m/s時(shí)，其壓力損失(shī)符合冷水水(shui)表的檢定規(guī)✂️程[1叫額定工(gōng)作條件下的(de)最大壓⭐力損(sun)失應不超過(guo)0.063MPa.中間流速也(yě)增加2.58倍爲12.9m/s，仍(réng)在傳統電磁(ci)流量計的測(ce)量範圍内，但(dan)更大初始流(liu)✌️速可能會超(chao)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼出測量範圍(wei).因此，應根據(ju)😄使用條件合(he)㊙️理設計管道(dao)尺👣寸.圖2、圖3(其(qí)中X、Y軸🧑🏾‍🤝‍🧑🏼坐标單(dān)位均爲m;速度(dù)單位爲m/s)和💰圖(tú)4表明異徑長(zhǎng)方體管道的(de)流場特性穩(wěn)定，設計長方(fang)體異徑管道(dào)電磁流量計(jì)具有可行性(xìng)👉.



3.2異徑(jìng)管道流場畸(jī)變
　　對橫截面(mian)由圓形漸變(bian)爲矩形的異(yì)徑管道，在矩(jǔ)形截面部分(fèn)💃🏻長度80mm，寬度20mm，高(gāo)度5mm，管道總長(zhang)度爲200mm的設定(dìng)條件下采用(yong)Fluent軟件進行流(liú)場仿真，管道(dào)初始流速0.1m/s.進(jìn)出口壓損❤️1903.8014Pa，中(zhong)心截面平均(jun)速度2.4529221m/s,增加24.5倍(bei).根🔆據圖5、圖6可(ke)知🚩，如果矩形(xíng)截面部分的(de)高度和寬度(du)壓縮太大會(hui)導緻回流現(xian)象，同時異徑(jìng)管🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的出口壓(ya)力相對于進(jìn)口♻️壓力小太(tai)多🔅，出現漸擴(kuo)管有嚴重的(de)揣流現象，流(liu)場變化較大(da).


3.3異(yi)徑管道橫截(jié)面積收縮部(bu)分不同長度(du)的影晌
　　對橫(heng)截面由圓形(xíng)漸變爲矩形(xing)的異徑管道(dào)，在矩形截面(mian)部分👨‍❤️‍👨寬💋度38mm，高(gāo)度20mm，長度爲100~40mm，以(yi)步長10mm變化，管(guan)道總長200mm的條(tiáo)件下采用Fluent軟(ruǎn)件進行流場(chǎng)仿真.管道人(rén)口初始流速(sù)設定爲O.1m/s.仿真(zhen)結果如表2.異(yì)徑管長度方(fang)向上的壓力(lì)損失由沿程(chéng)壓力損失引(yǐn)起，差别較小(xiǎo)，中心截♈面平(píng)均速度基本(běn)保持不變.

3.4異(yi)徑管道橫截(jie)面積收縮部(bù)分不同寬度(du)的影響
　　對橫(héng)截面由圓形(xing)漸變爲矩形(xing)的異徑管道(dao)，在矩形截面(miàn)部分長度80mm，高(gāo)度20mm，寬度爲48~20mm，以(yi)步長2mm變化，管(guan)道總長200mm的條(tiáo)件下采用Fluent軟(ruǎn)件👨‍❤️‍👨進行流場(chang)仿真，管道人(rén)口初始流速(su)設定爲0.1m/s.得壓(yā)損和中心截(jie)面平均速度(dù)分布如圖7.寬(kuān)度越小壓力(lì)損失越大，但(dan)中心截面平(ping)均速度也越(yuè)大，随着寬度(du)的減小，壓損(sǔn)和中心截面(mian)平均速度增(zēng)幅增大.

3.5異徑管道(dào)橫截面積收(shōu)縮部分不同(tóng)高度的影晌(shang)
　　對橫截面由(you)圓形漸變爲(wèi)矩形的異徑(jìng)管道，在矩形(xíng)截面部分🙇‍♀️長(zhang)度80mm，寬度50mm，高度(du)爲30~8mm，以步長2mm變(biàn)化，管道總長(zhang)200mm的條件下采(cǎi)用Fluent軟件仿真(zhen)其流場分布(bù)，管道人口初(chū)始流速📐O.1m/s.得壓(yā)損和中心截(jié)面平均速度(du)分布如圖8.高(gāo)度越小壓力(lì)損失越大，且(qiě)中心截面平(píng)均速度也越(yuè)大.随着高度(du)的減小，壓損(sun)和中心截面(miàn)平均速度增(zēng)🤟幅增大.

4結語
　　對橫(héng)截面由圓形(xing)漸變爲矩形(xing)的異徑電磁(cí)流量計管道(dao)進行了三維(wéi)模拟仿真.縮(suō)徑矩形截面(miàn)部分流體流(liu)速增加且流(liú)速在管道橫(héng)截面上分布(bù)均勻，有利于(yú)低‼️流速小流(liú)量的精确測(ce)量.矩形截面(miàn)部分的寬度(dù)和高度對進(jin)出口壓損和(hé)中心截面平(ping)均速度💋影響(xiang)較大.矩形截(jie)面異徑管感(gǎn)應電動勢與(yǔ)磁感應🌈強度(dù)B成正比，與🏒矩(ju)形橫截面的(de)高度h成反比(bi)，由此高度h越(yue)小越好.但當(dang)高度相對于(yú)圓形人口的(de)通徑D收縮較(jiao)大時，漸擴管(guan)中🌈會出現明(míng)顯的揣流💁和(he)空穴現象，因(yīn)此收縮比例(lì)不能太大.采(cǎi)用具有局部(bu)收縮的矩形(xíng)截面的測量(liàng)管道可提高(gao)電磁流量計(jì)的勵磁🧡效率(lǜ)和傳感㊙️器輸(shu)出信号的幅(fú)度，有利于實(shí)現電磁🌈流量(liang)計的低功耗(hao)設計.
　　研究結(jié)果可知，設計(ji)橫截面由圓(yuán)形漸變爲矩(ju)形的異徑管(guǎn)道電磁流量(liang)計具有可行(háng)性，理論上并(bìng)不存在管⛷️道(dào)尺🔴寸，具體的(de)管道🧑🏾‍🤝‍🧑🏼尺寸則(ze)根據不改變(biàn)原流場特性(xìng)太多、流體速(su)度範圍和壓(yā)力損失等要(yào)求來決定.相(xiang)對于圓形截(jié)面管道，橫👄截(jié)面由圓形漸(jiàn)變爲矩形的(de)異徑管道電(dian)磁流量計還(hái)具有磁場均(jun1)勻、與🏃‍♀️流速分(fen)布無關、低功(gong)耗等優點.

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