【摘要】通過ICEMCFD軟(ruan)件将局部截(jié)面變爲橢圓(yuán)形的異徑導(dao)流筒進行♻️了(le)三維建模，使(shǐ)用Fluent對不同入(rù)口速度下的(de)流線場與速(su)度分布進行(háng)仿真計算，建(jiàn)立了不同結(jié)構的導流筒(tǒng)所适用的速(su)度範🍓圍.結果(guǒ)表明，速度的(de)大小和橢圓(yuan)截面離心率(lǜ)對流場産生(shēng)的💃🏻影響較大(da).當速度減小(xiao)或離心率變(biàn)大時，導流筒(tǒng)尾部漸擴管(guǎn)🐕容易發生回(huí)流，緻使流場(chang)紊亂.本研究(jiu)能爲橢圓形(xing)管道電磁流(liu)量計的結構(gou)設計提供參(can)考方案，爲設(shè)計合理的導(dǎo)流筒提🔴供理(li)論依據.
電磁(cí)流量計
是工(gong)業過程中用(yòng)于計量導電(diàn)性流體體積(ji)流量的✊儀表(biao)［1］，當前☁️國内使(shi)用大多電磁(ci)流量計爲圓(yuan)形截面導流(liú)筒.然而，電磁(ci)流量計對被(bei)測管道内的(de)流場有㊙️一定(ding)的要求，流🐆場(chang)的不穩定會(huì)使得流📱量計(jì)示值不穩定(ding)，緻使測量誤(wu)差🛀加大［2－3］.爲了(le)解決這些問(wen)題，本文☀️提出(chu)橢圓形截面(mian)管道設計方(fāng)案.
針對橫截(jie)面爲不同離(li)心率橢圓形(xing)的導流筒，對(duì)在㊙️不同♻️入口(kou)速度下流場(chang)的流動性與(yǔ)速度分布進(jin)行Fluent仿真，欲爲(wei)🛀🏻合理的導流(liú)筒提供理論(lùn)依據.
1異徑管(guan)結構的電磁(ci)理論分析
電(diàn)磁流量計是(shì)基于法拉第(di)電磁感應定(ding)律而開發的(de)計量儀🌈表［8］.通(tōng)電後的勵磁(ci)線圈在導流(liú)筒垂直方位(wei)産生磁感應(ying)強度爲Ｂ的工(gōng)作磁場，待導(dǎo)電流體穿過(guò)時，在液體兩(liang)側産生感應(ying)電⛱️動勢Ｅ，通過(guo)對相應的電(diàn)動勢進☀️行信(xin)号處理而實(shi)現體積流量(liang)的準确測量(liàng).感應電動勢(shi)大小爲
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
式（1）中(zhōng)：Ｂ爲工作磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強度；Ｖ爲導電(dian)液體流速；Ｄ爲(wèi)測量導🌐管内(nei)徑.
導電流體(tǐ)的速度Ｖ與工(gōng)作磁場内的(de)磁感應強度(du)Ｂ都是有方向(xiàng)性的矢量，但(dàn)各質點的速(su)度爲非均勻(yun)分布，當流體(ti)的流速很小(xiao)時，會産生很(hěn)小感應電動(dong)勢，與噪音混(hùn)合後使得測(cè)😍量誤差🌈增大(dà)，從而影響到(dào)設備的穩定(dìng)性和可靠♌性(xing).其中Ｅ的數值(zhi)由電極測量(liàng)，單位時間内(nèi)管🚶♀️道流量計(jì)算公式爲
在(zai)電磁流量計(ji)的勵磁線圈(quān)中，電流爲Ｉ，匝(zā)數爲Ｎ，穿過工(gōng)作區📞域的磁(cí)路長度均值(zhi)爲Ｌ，可得磁阻(zǔ)Ｒm與磁通勢Ｆ爲(wei)
式中Ｓ爲磁路(lu)的平均面積(ji)，μ爲介質磁導(dǎo)率.由磁場歐(ou)姆定律［9］可⛷️得(de)磁通量f
由（6）式(shi)可知，磁感應(ying)強度Ｂ與磁路(lù)長度平均值(zhí)Ｌ成反比，與通(tong)過勵磁線圈(quān)的電流Ｉ成正(zhèng)比.相比起均(jun)勻的圓形管(guan)道，橢圓導流(liu)筒内的工作(zuo)磁場縮小了(le)Ｌ值，在産生同(tóng)等磁感應強(qiáng)度Ｂ的條件下(xia)，勵磁線圈中(zhōng)的電流将小(xiao)于前❄️者，從而(ér)可降低電磁(ci)流量計的功(gong)耗.
2Fluent模型建立(lì)與參數設置(zhi)
使用ICEMCFD建立橢(tuǒ)圓截面導流(liú)筒的模型.導(dao)流筒的中間(jiān)🈲部♊分爲🈚橢圓(yuán)管，兩側均爲(wei)橢圓形漸變(bian)爲圓形的漸(jian)擴管.導流筒(tong)半🆚長軸🐪與Ｘ軸(zhóu)平行，長度35mm，半(bàn)短軸與Ｙ軸平(píng)行，長度28mm，短長(zhǎng)半軸之比爲(wei)4/5，橢圓離心率(lü)爲0.60，長88mm.兩端漸(jian)擴管最外側(cè)圓形的半徑(jing)爲50mm，各長81mm.導流(liu)筒總長250mm.該模(mó)型的對象爲(wèi)在中間直管(guǎn)段具有均勻(yun)磁場分布的(de)☎️橢圓截面管(guǎn)道的電磁流(liu)量計将導流(liu)筒兩端💔分别(bié)定義爲出口(kǒu)與出口.流體(tǐ)在入口邊界(jiè)以固定速度(du)垂直與入口(kǒu)邊界流入，在(zai)出口邊界自(zi)由流出，忽略(luè)重力.定義🔆其(qi)他區域爲壁(bì)面，最後以四(si)面體結構對(duì)🐇模型進行網(wang)格劃分，如圖(tú)1所示.單元格(ge)數🍉量爲204萬，網(wang)格質量評價(jia)系數爲：0.65～0.70（2.5%）；0.70～0.90（8.6%）；0.90～1.0（86.2%）.該三(san)維模型網格(ge)質量能夠滿(man)足精度和收(shou)斂要求.文中(zhōng)其它結構的(de)三維模型網(wǎng)格，其類型與(yu)上述一緻，網(wang)格質量基本(běn)相✌️同.
設置模型爲(wei)ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模型［10］，模(mo)拟對象爲液(ye)體水，仿真将(jiāng)以入口流速(su)分别爲小流(liu)速0.1m/ｓ、0.3m/ｓ與大流速(sù)5.0m/ｓ的條件下進(jin)行.
3速度場仿(páng)真結果分析(xī)
以不同進口(kǒu)速度對該結(jie)構導流筒進(jìn)行流場仿真(zhēn)，求解後使用(yòng)軟件提取數(shù)據.由于磁場(chang)方向平行于(yú)Ｙ軸，故圖2至圖(tú)15是在選取了(le)與Ｙ軸垂直的(de)ＸＯＺ坐标平面，并(bing)觀察速度雲(yún)與流線分布(bù)圖，計✌️算結果(guǒ)如下.
3.1小流速(sù)下的仿真分(fèn)析
取流入速(sù)度爲0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設置仿(páng)真計算的叠(dié)代步數爲300，過(guò)程😄中分别在(zài)第211步、第186步時(shi)計算結果收(shou)斂，流量計流(liu)道區域内可(ke)視爲穩态🔅的(de)定🏃🏻常流動.管(guǎn)内速度雲圖(tú)如圖2、圖3，流線(xian)圖如圖4、圖5.
由(yóu)圖2、圖3可知，在(zài)進口速度爲(wèi)0.1m/ｓ與0.3m/ｓ條件下，速(su)度雲圖無明(míng)顯差别❓，平面(mian)直管段的速(sù)度分布的上(shang)下對稱性🈚較(jiao)高㊙️，靠管♊壁速(su)度小，中間大(dà)，出口流體向(xiàng)兩側流動🍓，中(zhong)間區流速小(xiao).
如(rú)圖4、圖5，當入口(kou)速度爲0.1m/ｓ時，末(mo)端發生回流(liú)現象，但中間(jiān)直管💋段流❌場(chang)平穩，沒有受(shòu)到尾部回流(liú)影響.當初始(shi)速度增加爲(wèi)0.3m/ｓ時尾部的回(huí)流減弱.
3.2大流(liu)速下的仿真(zhen)分析
設置進(jìn)口速度爲5.0m/ｓ，設(she)置仿真計算(suàn)的叠代步數(shu)爲300，過程中在(zài)第96步計算結(jié)果受斂，可視(shi)爲定常流動(dòng).速度雲圖⛱️如(rú)圖6.
中間直管(guǎn)段内靠管壁(bì)處速度小，中(zhong)間大，速度分(fèn)布的上下對(dui)稱性較高.在(zài)圖7中，當流速(su)增加爲5.0m/ｓ時，中(zhōng)間直管段與(yǔ)尾部漸擴管(guan)的☔流場非常(chang)平穩，無回流(liu)現象.
綜合圖(tu)4、圖5、圖7可見，随(suí)着流體速度(du)增加，回流減(jian)弱.綜合3.1與3.2，流(liú)✍️道域内均爲(wèi)穩态的定常(chang)流動，且流場(chǎng)平穩🐕，速度分(fen)布對稱性較(jiào)高，故該結構(gòu)的電磁流量(liang)計在大小流(liu)速條件下的(de)使用均是可(ke)行的.
4離心率(lü)對流場的影(ying)響
4.1離心率爲(wèi)0.8
中間橢圓截(jie)面直管段短(duǎn)長半軸之比(bǐ)爲3/5，離心率0.8.分(fen)别定義入口(kou)速度爲0.1m/ｓ、5.0m/ｓ，在此(cǐ)條件下使用(yòng)Fluent進行模拟計(ji)㊙️算，過🌈程中分(fèn)别💰在第263步、192步(bù)時計算結果(guo)收斂，可視爲(wei)定常流動.結(jie)果如圖8至圖(tú)10.
入口速度爲(wei)0.1m/ｓ時（圖8、圖9），中間(jiān)直管段内靠(kao)近但不接觸(chu)🔆管壁的✔️位置(zhì)流速大，中間(jiān)小.速度分布(bu)的上下對稱(cheng)性較高，流道(dào)域尾部出現(xian)回流現象，但(dan)中間直管端(duān)的流場依然(rán)平穩.當入口(kou)速度增加至(zhi)5.0m/ｓ時（圖10、圖11），中間(jian)直管段内速(sù)度分布基本(ben)均勻，尾部回(huí)流消失，流場(chang)㊙️整體平穩.
縮徑(jing)爲0.8離心率的(de)橢圓截面電(dian)磁流量計在(zài)初始流速爲(wèi)0.1m/ｓ與5.0m/ｓ條✌️件下均(jun)爲穩态流動(dòng)，速度分布對(dui)稱，直管内流(liú)場平穩，那麽(me)該結構😄導流(liu)筒的電磁流(liu)量計在☔大小(xiao)流速條件⛱️下(xia)的使🌈用均是(shi)🐆可行的.
4.2離心(xin)率爲0.916
半長軸(zhóu)長35mm，半短軸長(zhang)14mm，短長半軸之(zhī)比2/5，離心率0.916.分(fen)别設置入口(kou)速♊度♍在0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的條(tiao)件下通過Fluent進(jin)行模拟仿真(zhēn)，設置計算叠(dié)代步數爲1000，過(guo)程中各點的(de)速度值随時(shí)間産生無規(guī)律變化，無法(fa)收斂.圖11至圖(tu)14爲步數等于(yú)1000時瞬時結果(guǒ)的抓取.
由圖(tú)12、圖13可知，當入(ru)口速度爲0.1m/ｓ時(shí)，導流筒内速(su)度分布無明(ming)顯規律，存在(zai)較大的流場(chǎng)畸變.因爲導(dǎo)流筒兩側産(chan)生的感應電(diàn)動💋勢與🍓流速(su)成正比，且流(liu)量計是根據(ju)流📱速值計算(suan)出一㊙️定時間(jian)内通過管道(dào)的體積💛流量(liang)，所以🍉在非穩(wen)态流場條件(jiàn)下流量計檢(jiǎn)測到的是大(dà)小搖擺不定(ding)的感應電動(dòng)勢，爲體積流(liu)量的計⛱️算造(zào)成許多不确(que)定因素，還降(jiàng)低了計量精(jing)度.
設置流入(ru)速度爲5.0m/ｓ，計算(suàn)過程中第117步(bù)收斂，流場可(kě)視爲達到穩(wěn)定狀态.如圖(tú)14、圖15所示，流場(chang)分布平穩，中(zhong)間直管段内(nèi)速度場分☔布(bu)基本均勻，與(yǔ)其它結構導(dao)流筒在該速(sù)度下的分布(bù)無明顯區别(bié).綜⭕合圖12至圖(tu)15可知，截面離(li)心率變爲0.916時(shí)的導流筒在(zài)入口速度增(zēng)大💜到一定值(zhi)後，流場穩定(ding).
5不同結構導(dao)流筒所适應(yīng)的速度區間(jiān)
在完成不同(tóng)結構導流筒(tong)在小流速與(yǔ)大流速情況(kuàng)下的仿💁真之(zhi)後，對入口流(liú)速分别爲0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的(de)條件下進行(háng)💔模拟計算.以(yǐ)流場速度分(fèn)布爲判據，得(de)出了不同結(jie)構橢圓管所(suǒ)适應的速度(du)區間.由表1可(kě)知：截面離心(xīn)率爲0.600和0.800的橢(tuǒ)圓形導流筒(tong)的速度均适(shi)用于大流速(su)☎️與小流速，而(ér)截面離心率(lǜ)爲0.916的導流筒(tǒng)卻不适用于(yú)小流量的條(tiáo)👨❤️👨件，當該結構(gòu)導流筒的入(ru)口流速達到(dào)0.8m/ｓ及以上時，内(nei)部流場分布(bù)才被接受🏃🏻.雖(suī)橢圓變扁，磁(cí)路長度平均(jun)值Ｌ減小，緻使(shǐ)所需勵磁電(dian)流⭐Ｉ減小，降低(dī)了設備功耗(hao)，但縮徑量🏃🏻過(guò)大會犧牲測(cè)速量程，導緻(zhì)量程下限升(shēng)高，小流量的(de)狀态下不再(zài)适用.
6結論
本(běn)文針對局部(bù)變爲橢圓形(xing)截面的異徑(jing)導流筒進行(hang)了模👄拟仿真(zhen)計算.得出結(jié)論如下：
1）減小(xiao)磁路長度平(píng)均值Ｌ，在産生(sheng)同等磁感應(yīng)強度Ｂ的條件(jian)下，可減小勵(li)磁線圈的電(dian)流Ｉ，從而提升(sheng)流量計的靈(líng)敏度，降低功(gōng)耗.
2）當橢圓離(lí)心率增大到(dào)一定值時，尾(wei)部漸擴管便(bian)會出現明顯(xiǎn)的回流現象(xiàng)，緻使流量計(ji)量程下限升(sheng)高，不再♉适用(yong)于低速計🛀量(liàng).
3）入口速度對(duì)管内速度場(chǎng)的影響頗爲(wei)重要，大流速(sù)在導🏒流筒各(gè)部位的流場(chang)較平穩，小流(liu)速則容易發(fā)生回流現🤞象(xiang)，随着入🔞口速(sù)🧑🏾🤝🧑🏼度降低，回流(liú)更顯著.
4）離心(xin)率爲0.8的橢圓(yuan)截面導流筒(tǒng)可最大條件(jiàn)下滿足縮徑(jing)和流場要求(qiu)，該尺寸适合(hé)在流量計中(zhong)使用.
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