摘要：文(wén)中插入(ru)式電磁(cí)流量計(jì) 在非對(duì)稱溉場(chang)中的用(yòng)問題。通(tōng)過GAMBIT前處(chu)理軟件(jiàn)建立管(guǎn)道及流(liú)量計的(de)物理模(mó)型，并利(li)用FLUENT進行(háng)管道内(nèi)水動的(de)仿真計(ji)算。選取(qu)等值面(mian)觀察管(guan)道内溉(gai)體的速(su)度、壓力(lì)等物理(li)量的雲(yun)圖，失量(liàng)圖等可(kě)視化圖(tu)像。通過(guo)圖像分(fèn)析得出(chu)結論，直(zhí)管道部(bu)分的場(chang)分布均(jun)勻，而管(guan)道轉彎(wan)處的場(chǎng)由于壓(yā)力的作(zuo)用，産生(shēng)了非對(dui)稱場。靠(kao)近彎管(guǎn)道内徑(jìng)的水産(chǎn)生了高(gao)速場，明(míng)顯高于(yú)外徑的(de)水速度(dù)。因此要(yào)在彎管(guǎn)部分進(jin)行多點(dian)測量，以(yǐ)修正流(liu)量計在(zai)非對稱(chēng)流場中(zhong)的測量(liang)準度。
　　随(sui)着近些(xiē)年來我(wǒ)國流量(liang)測量水(shui)平的發(fa)展，越來(lái)越多種(zhǒng)類的流(liú)量計廣(guang)泛應用(yong)于各種(zhong)行業。其(qi)中，作爲(wèi)電磁流(liu)量計中(zhong)一個種(zhong)類的插(chā)入式電(diàn)磁流量(liang)計，由于(yu)其自身(shēn)結構的(de)輕巧，安(an)裝拆卸(xiè)便捷，相(xiang)比制造(zào)費用較(jiao)高，安拆(chai)與維修(xiū)都很不(bu)便的普(pu)通電磁(ci)流量計(jì)而言具(jù)有非常(cháng)大的優(yōu)勢，從而(er)廣泛應(yīng)用于現(xian)在的機(jī)械工業(ye)大口徑(jing)管道的(de)流量檢(jian)測中。在(zài)國際上(shang)，由于目(mù)前能源(yuan)與環保(bao)計量方(fang)面的需(xū)求越來(lái)越大，如(rú)機械、化(hua)學工業(ye)污水流(liu)量的測(cè)量等，各(ge)國家發(fā)展插入(ru)式流量(liang)計已經(jīng)成爲一(yi)種趨勢(shi)。
　　我國的(de)插入式(shì)電磁流(liu)量計的(de)研究還(hái)在上升(sheng)；對于測(cè)量精度(du)的提高(gao)和實物(wu)的改進(jin)還有着(zhe)很大的(de)提升空(kōng)間，尤其(qí)是在管(guan)道排布(bu)複雜、彎(wān)管多、角(jiao)度大的(de)工業現(xian)場，即在(zai)非對稱(chēng)流場下(xià)的應用(yòng)還需做(zuo)深入探(tan)讨。
１插入(rù)式電磁(ci)流量計(ji)的工作(zuò)原理
　　與(yu)普通的(de) 電磁流(liú)量計 原(yuán)理相同(tóng)，插入式(shì)電磁流(liú)量計的(de)測量原(yuan)理同樣(yang)是基宇(yǔ)法拉第(di)電磁感(gǎn)虛定律(lü)。通過對(dui)目标流(liu)場内某(mou)一點流(liu)速的測(cè)，經過一(yi)系列計(jì)算推導(dǎo)後，得出(chū)整個目(mu)标流場(chang)的平均(jun)流速。所(suǒ)以說插(chā)入式電(diàn)磁流量(liang)計是一(yī)種點流(liu)速的了(le)流量計(jì)。
　　以管道(dào)流速測(ce)量爲例(lì)，測量流(liu)場時，将(jiang)流量計(jì)以平行(hang)Ｚ軸，垂直(zhí)于XOY面方(fāng)向插人(ren)管遒内(nei)部，感應(yīng)電極位(wei)位于流(liu)量計尾(wei)端兩側(ce)，與水流(liu)方向保(bao)持垂直(zhi)，且同屬(shu)XOY面。水流(liú)流經流(liu)量計時(shi)，做切割(ge)磁感線(xian)運動，由(yóu)法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lǜ)可知，磁(ci)場中會(hui)産生電(dian)動勢E=BD`n表(biao)示管道(dào)橫截面(mian)平均流(liu)速。
流量(liàng)Q=`n A,其中，A表(biǎo)示管道(dao)的橫截(jié)面積，爲(wei)定值常(cháng)數，進行(háng)如下推(tuī)倒後得(dé)：

　　可知感(gǎn)應電．動(dong)勢E和流(liu)量Q是線(xiàn)性關系(xì)，與流場(chǎng)内其他(ta)變化的(de)物埋無(wú)關。即可(ke)以通過(guo)流量計(ji)對電信(xin)号的捕(bǔ)捉來實(shi)現對流(liu)場流量(liang)的檢測(ce)。
2 數值計(jì)算方法(fa)
FLUEST軟件主(zhu)要包括(kuo)前處理(li)器GAMBIT和後(hòu)赴理器(qì)FLUEST兩部分(fèn)，二者相(xiang)輔相成(chéng)，缺一不(bu)可。
２．１前處(chù)理GAMBIT建模(mo)
　　仿真計(jì)算前，首(shǒu)先進行(háng)仿真的(de)前處理(li)，即運用(yòng) GAMBIT幾何建(jian)模，之後(hòu)對所建(jian)模進行(hang)網格的(de)劃分和(hé)生成，誰(shuí)知完邊(biān)界條件(jian)後輸出(chu)mesh文件。把(ba)mesh文件導(dǎo)入到FLUENT中(zhong)進行流(liu)體仿真(zhēn)計算。
2.2後(hòu)處理FLUENT仿(páng)真計算(suan)
　　求解計(ji)算有以(yǐ)下幾個(ge)步驟：檢(jian)查導入(rù)模型的(de)網格，選(xuan)擇計算(suan)模定義(yi)流體材(cai)料性質(zhi)，設置邊(bian)界條件(jiàn)，求解方(fang)法及其(qí)控制，叠(dié)代計算(suan)，檢查保(bǎo)存并分(fèn)析仿真(zhen)結果。??
３數(shu)值模掀(xian)仿真與(yu)結果分(fen)析
3.1對稱(chēng)流場直(zhí)管道中(zhong)的仿真(zhēn)模拟
3.1.1圓(yuan)管流動(dòng)仿真
　　首(shǒu)先在GAMBIT中(zhōng)簡曆半(bàn)徑0.1m，長度(du)4m的長直(zhi)圓管物(wu)理模型(xing)采用六(liù)面體網(wǎng)格劃分(fèn)管道模(mo)型，如圖(tu)1所示。
定(dìng)義邊界(jie)條件後(hou)輸出mesh文(wén)件，啓動(dong)FLUENT仿真計(jì)算。
　　叠代(dai)計算後(hou)，查看結(jié)果，通過(guò)圖1可以(yǐ)看出圓(yuán)管内的(de)速度值(zhi)程同心(xīn)圓分布(bù)，越靠近(jìn)中心處(chu)速度越(yuè)大，在靠(kào)近管壁(bi)的區域(yù)，速度幾(ji)乎爲零(líng)。管道内(nèi)的流速(su)穩定正(zheng)常。

3.1.2插(cha)入式電(dian)磁流量(liàng)計後的(de)圓管流(liú)動仿真(zhēn)
　　管道模(mó)型依然(rán)選取半(bàn)徑0.1m，長4m的(de)圓管， 流(liú)量計 算(suan)模型爲(wei)半徑2cm的(de)圓柱體(tǐ)。跟管道(dào)和流量(liàng)計相比(bǐ)，電極很(hěn)小，對流(liu)場造成(chéng)影響可(ke)以忽略(luè)不計，因(yin)此在建(jiàn)模時可(kě)以忽略(luè)電極，簡(jiǎn)化幾何(hé)結構。流(liú)量計起(qǐ)阻擋水(shuǐ)流作用(yòng)。管道及(jí)流量計(ji)建立模(mo)型圖如(rú)圖2所示(shi)。

　　運用(yòng)GAMBIT建模劃(huà)分網格(gé)，其中在(zài)體網格(ge)的劃分(fèn)上Element選擇(zé)Hex，Type選擇Cooper。管(guǎn)道模型(xíng)最終劃(huà)分成的(de)網格如(ru)圖3所示(shi)。定義水(shuǐ)流的入(ru)口及出(chū)口，流量(liang)計模型(xíng)位于左(zuo)側水流(liu)入口處(chu)1m位置。導(dao)入FLUENT求解(jiě)計算。定(dìng)義求解(jiě)器定水(shui)的流速(sù)設置爲(wei)1m/s。叠代計(ji)算後，輸(shu)出結果(guǒ)圖組。

　　由(you)于三維(wei)模型的(de)計算結(jie)果不方(fāng)便查看(kàn)，所以通(tong)過創建(jiàn)電極所(suo)在的等(deng)值面來(lái)觀察電(diàn)極所在(zài)區域周(zhōu)圍的流(liú)場，選取(qǔ)Z=0.06m平面來(lai)輸出壓(yā)力和速(su)度等值(zhi)線及雲(yun)圖。選擇(ze)速度雲(yún)圖放大(da)觀察，如(ru)圖4所示(shì)。

　　根(gen)據選取(qǔ)面放大(dà)後的速(su)度雲圖(tú)觀察可(kě)以看出(chu)，水流流(liu)經流量(liang)計的時(shí)候，兩側(cè)的電極(ji)周圍的(de)流場受(shòu)圓柱繞(rao)流影響(xiǎng)，産生了(le)高速流(liú)場，水流(liú)無法很(hěn)好地貼(tiē)合流量(liang)計後半(bàn)段壁面(miàn)流動，緻(zhì)使流速(su)減小，邊(bian)界層出(chu)現分離(li)，産生尾(wei)渦流區(qū)。尾渦區(qū)在一定(ding)程度上(shang)破壞了(le)周圍流(liu)場的穩(wen)定性。
　　由(you)于傳統(tong)型插入(ru)式電磁(cí)流量計(ji)的自身(shēn)形狀不(bú)可避免(miǎn)的會對(dui)所測流(liú)場産生(sheng)一定幹(gàn)擾，因此(cǐ)需要采(cai)用機械(xie)工藝方(fang)面的設(shè)計對其(qi)自身物(wu)理結構(gou)進行改(gǎi)良。
3.2非對(duì)稱流場(chǎng)彎管道(dao)中的仿(pang)真模拟(nǐ)
3.2.1非對稱(cheng)流場彎(wān)管道中(zhong)水流動(dong)的模拟(ni)
　　根據之(zhī)前直菅(jian)水流場(chǎng)的模拟(ni)可知，在(zai)直管中(zhong)水流是(shi)均勻穩(wěn)定的。而(ér)管道相(xiàng)互連接(jiē)的彎管(guǎn)部分其(qi)内部的(de)流動會(hui)引起很(hen)大的壓(ya)力降，對(dui)流體流(liu)經轉彎(wān)處後的(de)速度也(yě)會有一(yi)定的影(ying)響。
　　保持(chi)直管部(bu)分與之(zhī)前的尺(chǐ)寸不變(biàn)，彎管處(chu)采用半(bàn)徑4倍管(guǎn)徑即0.4m的(de)90°彎管。簡(jian)曆物理(li)模型，如(rú)圖5所示(shì)，劃分網(wǎng)格，設定(ding)邊界條(tiao)件後求(qiu)解。

　　叠(dié)代計算(suàn)後，觀察(chá)輸出的(de)速度雲(yun)圖和壓(yā)力雲圖(tú)，如圖6和(he)圖7所示(shi)。可以看(kàn)出彎管(guan)處出現(xiàn)了壓力(li)降，内徑(jìng)速度明(ming)顯大于(yú)外徑。再(zai)通過放(fang)大的速(sù)度矢量(liang)圖可以(yǐ)看出，轉(zhuan)彎處的(de)内徑高(gāo)速水流(liu)沿外徑(jìng)流出，并(bìng)且速度(dù)下降逐(zhú)漸恢複(fu)轉彎錢(qian)的速度(du)，出彎後(hòu)的内徑(jing)部分幾(jǐ)乎無流(liú)速，經過(guò)一定管(guan)長後恢(hui)複勻速(sù)。

所以說(shuo)彎管部(bu)分的流(liu)場是不(bu)均勻的(de)，是非對(duì)稱流場(chang)。
3.2.2插入式(shi)電磁流(liú)量計後(hòu)的彎管(guan)流動仿(páng)真
　　在多(duō)數現場(chǎng)環境下(xià)，長直管(guan)較少，短(duan)直管居(jū)多，然而(ér)接近彎(wan)管處的(de)流體分(fèn)布是不(bú)對稱拟(nǐ)合流場(chang)，這與對(duì)稱流場(chang)下的多(duō)點流速(sù)洩露及(ji)數據分(fèn)析會有(yǒu)較大出(chu)入，因此(ci)在彎管(guǎn)部分的(de)檢測要(yao)重新選(xuan)取不同(tóng)的點進(jin)行檢測(ce)。
　　保留上(shàng)一小節(jiē)中彎管(guan)道物理(lǐ)模型不(bú)變，以水(shui)流流向(xiàng)作參考(kǎo)，在靠近(jin)彎管入(rù)口和出(chu)口0.1m處分(fèn)别插入(rù)流量計(ji)模型，進(jin)行多次(ci)測量，除(chu)了流量(liang)計插入(rù)位置其(qi)餘物理(lǐ)量保持(chí)不變。
　　劃(huà)分網格(gé)，網格類(lèi)型選擇(zé)六面體(tǐ)Hex,劃分方(fāng)法設置(zhi)爲Cooper即把(ba)整個模(mo)型體依(yi)據2指定(ding)的源面(miàn)來劃分(fèn)，設置網(wǎng)格步長(zhǎng)Space爲3.設定(ding)邊界條(tiao)件，管道(dào)入口選(xuan)擇VEOCITY，水流(liú)速設定(dìng)爲1m/s，出口(kou)選擇OUTFLOW，其(qi)餘各邊(bian)默認爲(wèi)壁面WALL。輸(shu)出網格(ge)，導入FLUENT求(qiu)解器進(jin)行求解(jie)。
　　由于現(xiàn)場實際(ji)情況中(zhōng)，工業管(guǎn)道會按(an)照現場(chǎng)需要進(jìn)行安置(zhì)排布，即(ji)橫向豎(shù)向多角(jiǎo)度轉彎(wan)，管内流(liu)體是湍(tuan)流流動(dong)，流場基(ji)本上是(shì)不定常(cháng)的，因此(cǐ)在定義(yi)求解器(qi)時，要用(yong)非穩态(tài)的求解(jiě)器進行(hang)模拟計(ji)算，即在(zai)Time選項中(zhōng)選擇非(fei)定常Unsteady。其(qí)他計算(suan)模型設(she)定，管内(nèi)湍流模(mó)型分布(bu)方程的(de)離散模(mó)式設定(dìng)爲k-epsilon即二(èr)階迎風(fēng)差分格(gé)式，并采(cai)用SIMPLEC算法(fǎ)進行修(xiū)正。然後(hou)定義管(guǎn)道内的(de)流體材(cái)料，本次(cì)仿真實(shi)驗使用(yong)液态水(shui)爲管道(dao)内的流(liu)體。在材(cái)料下拉(lā)列表中(zhong)選擇，water-liquid（h20<1>）邊(biān)界條件(jian)，inlet入口邊(bian)界條件(jiàn)定義水(shuǐ)流速爲(wei)1m/s。湍流強(qiang)度Turbulent Intensity和水(shuǐ)力直徑(jìng)Hydraulic Diameter選項分(fen)别輸入(rù)5和0.04。
設置(zhi)求解參(cān)數，初始(shi)化及殘(cán)差圖後(hòu)，保存文(wén)件進行(hang)叠代計(jì)算。
　　叠代(dài)計算後(hou)，殘差圖(tu)均呈收(shōu)斂狀态(tai)。選擇Z=0.06m平(ping)面分别(bie)觀察速(sù)度及壓(ya)力雲圖(tu)。流量計(jì)在靠近(jìn)彎管入(ru)口處0.1m的(de)輸出結(jie)果如圖(tu)8和9所示(shì)。

　　可以看(kan)出轉彎(wān)處依舊(jiù)出現壓(ya)力降，由(you)于壓力(li)的作用(yòng)，在水流(liu)在内徑(jing)的速度(dù)大于外(wai)徑，流量(liàng)計兩側(ce)産生告(gao)訴流場(chang)，兩側電(diàn)極可以(yi)檢測到(dao)明顯的(de)信号，但(dàn)由于内(nèi)外徑流(liú)速的不(bu)同，兩電(diàn)極所檢(jian)測的信(xin)号有一(yī)定量差(chà)，流量計(ji)尾部速(sù)度幾乎(hū)爲零。
再(zai)觀察流(liú)量計在(zài)靠近彎(wān)管出口(kǒu)處0.1m的輸(shu)出結果(guǒ)組圖，如(ru)如10、圖11所(suǒ)示。


　　流量(liang)計的尾(wei)渦區對(dui)水流出(chū)彎後的(de)直管部(bù)分流場(chang)有一定(dìng)的影響(xiǎng)，流量計(jì)電極兩(liǎng)側所檢(jiǎn)測到的(de)信号由(you)于彎管(guan)處壓力(li)降的作(zuo)用存在(zai)量差，并(bing)且速度(dù)要略大(da)于入口(kǒu)處。
　　經過(guò)以上對(dui)比實驗(yan)證明，需(xu)要在彎(wān)道入口(kou)及出口(kou)部分選(xuǎn)取垂直(zhí)與XOY面不(bu)同深度(du)的點來(lái)進行測(cè)量，從而(ér)得到流(liú)量計在(zài)非對稱(cheng)條件下(xia)測速的(de)理想修(xiū)正函數(shù)。
4結論
（1）通(tong)過多次(ci)實驗，分(fèn)析仿真(zhēn)結果，對(duì)物理模(mo)型網格(ge)的劃分(fèn)精度及(ji)參數的(de)調整校(xiao)正，最終(zhōng)使殘差(cha)圖呈現(xian)收斂狀(zhuàng)态。通過(guo)對輸出(chu)圖組的(de)觀察分(fen)析，基本(ben)準備模(mo)拟出管(guan)道中的(de)流場分(fèn)布，同事(shi)得出插(chā)入式電(dian)磁流量(liang)計對流(liú)場分布(bù)影響。
（2）由(yóu)于工業(ye)現場幻(huan)想彎管(guan)道居多(duo)而長直(zhi)管較少(shao)，因此在(zài)實際測(ce)量時考(kao)慮到非(fēi)對稱流(liu)場對流(liú)量計測(ce)量精度(du)影響，需(xū)要在靠(kao)近彎道(dao)的不同(tong)點進行(hang)測量以(yi)修正測(cè)量結果(guǒ)，保證精(jīng)度。
（3）由于(yu)圓柱型(xing)的流量(liàng)計的尾(wěi)流對所(suo)測流場(chǎng)穩定性(xìng)有一定(dìng)影響，可(ke)以通過(guò)機械工(gōng)藝加工(gōng)對流量(liàng)計的外(wài)形進行(hang)改良，盡(jìn)可能減(jiǎn)少尾流(liú)，保證流(liu)場的穩(wěn)定性。

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