摘要(yào)：采用Fluent軟(ruǎn)件對圓(yuan)形截面(miàn)漸變爲(wèi)矩形截(jie)面的異(yì)🏃徑管道(dao)流場進(jìn)行蘭維(wéi)建模和(hé)數值仿(páng)真，分析(xī)了橫截(jié)面收縮(suō)異徑管(guan)的速度(dù)分布和(he)流線，建(jian)立了矩(ju)形👉截面(mian)部分的(de)長度、寬(kuan)度♋、高度(dù)與🌈進出(chū)口壓力(li)損失和(hé)中心截(jié)面平均(jun1)速度🌂之(zhi)間的關(guan)系.研究(jiu)表明，中(zhōng)間矩形(xíng)截面部(bù)分🐪的寬(kuan)度和高(gao)度對進(jìn)出口壓(yā)損和中(zhong)心截面(miàn)平均速(sù)度影響(xiǎng)較大，同(tong)時橫截(jié)面積收(shōu)縮比例(lì)太大會(huì)導緻流(liu)場🔞紊亂(luàn)和回流(liú)現象🙇🏻，從(cong)而爲合(he)理設計(ji)局部橫(héng)截面積(ji)收縮的(de)電磁流(liu)量測🍉量(liang)管道提(tí)供了理(lǐ)論依據(ju).
目前國(guó)内生産(chan)的電磁(ci)流量計(jì)
測量管(guǎn)道多爲(wei)均勻圓(yuán)管，應用(yòng)領域越(yue)來越廣(guang).然而電(dian)磁流量(liàng)計⁉️在原(yuan)理上要(yao)求管道(dào)流速爲(wèi)中心軸(zhou)對稱分(fèn)布，這樣(yang)，具有均(jun1)勻磁場(chǎng)和點電(dian)極的電(dian)磁流量(liàng)計的輸(shū)出信号(hao)與流速(sù)成正;同(tóng)時電磁(ci)㊙️流量計(ji)在低流(liú)速的小(xiǎo)流量測(ce)量時，可(kě)靠性和(hé)精度都(dōu)不太理(lǐ)想.所以(yǐ)，如何在(zài)低流速(su)小流量(liàng)下實現(xiàn)流量的(de)精确測(ce)量和低(dī)功耗設(shè)計成爲(wèi)人們關(guan)注的熱(rè)點[1-2J爲了(le)适應低(di)功耗設(she)計要求(qiu)，目前在(zài)電磁流(liú)量計的(de)勵磁方(fāng)式🏒、管道(dào)結構、硬(ying)件電路(lù)和電極(ji)形狀等(děng)方🔞面進(jin)行了不(bú)斷改進(jin)并取得(dé)了不同(tóng)程度的(de)☀️進展.
對(duì)于異徑(jìng)管道，目(mu)前國内(nèi)的相關(guān)文獻較(jiào)少.主要(yào)是通過(guo)在原來(lai)圓形橫(héng)截面管(guǎn)道的基(ji)礎上增(zeng)加縮徑(jìng)圓管，再(zai)采用小(xiao)口徑🌈傳(chuan)統電磁(ci)流量計(ji)對增速(su)的流量(liàng)進行測(ce)量[町，以(yǐ)提高🔅測(ce)量精度(du).Heijnsdijk[7J等把縮(suo)徑作爲(wei)電磁流(liu)量計管(guan)道結構(gou)🥵的一部(bù)分，并設(shè)計了不(bu)同形狀(zhuàng)的中間(jian)管道截(jié)面.Korsunskii[町等(děng)證明對(duì)于矩形(xing)截面管(guǎn)道，電極(ji)上的感(gǎn)應信号(hào)不依賴(lài)于流速(sù)分布.Lim[9J對(duì)傳統🏃♀️的(de)電磁流(liu)量計進(jin)行改進(jìn)，設計了(le)長方體(tǐ)管道結(jié)構和磁(cí)✏️場結構(gòu)，分析了(le)矩形💃電(diàn)極的權(quan)重函數(shu)✊分布.
橫(héng)截面積(jī)局部收(shōu)縮爲矩(jǔ)形的電(diàn)磁流量(liàng)測量管(guǎn)道内的(de)速度分(fen)⛷️布、壓力(li)損失和(he)流動特(tè)性進行(hang)Fluent仿真，欲(yu)‼️爲合理(lǐ)的電磁(ci)流量計(ji)管📧道結(jie)構設計(jì)提供一(yi)定依據(jù).
1電磁流(liú)量計原(yuán)理
電磁(ci)流量計(ji)是一種(zhǒng)根據法(fǎ)拉第電(diàn)磁感應(yīng)定律來(lai)📐測✉️量😄導(dao)電液體(ti)體積流(liú)量的儀(yí)表.其勵(li)磁線圈(quan)将磁場(chǎng)施加給(gěi)被測流(liu)體，從而(er)通過檢(jian)測磁場(chang)中運動(dong)流🔞體的(de)感應電(diàn)動勢并(bing)進行相(xiàng)應💋的信(xìn)号處理(li)來實現(xian)流量的(de)準确測(cè)量。
對于(yú)圓形管(guǎn)道電磁(cí)流量計(ji)，輸出信(xìn)号電壓(yā)爲:
E=B×`n×D(1)
式中(zhong):E爲感應(ying)電動勢(shì)，B爲磁感(gǎn)應強度(dù)，`n爲運動(dòng)平均速(su)度，D爲兩(liang)電極之(zhi)間的距(ju)離(對于(yú)圓形管(guan)道，D爲測(cè)量管内(nei)徑).
假設(she)管道的(de)橫截面(mian)積爲A，流(liú)量爲q，則(ze)(1)式爲:
在(zai)建立電(diàn)磁流量(liang)計這個(ge)基本方(fang)程的過(guo)程中作(zuo)了如🐕下(xià)假設♍；
1)流(liu)體磁導(dao)率μ均勻(yun)，且等于(yu)真空中(zhong)磁導率(lü)，即流體(tǐ)是非磁(cí)性的;
2)流(liú)體的電(diàn)導率均(jun1)勻，并滿(mǎn)足Ohm定律(lǜ);
3)流體中(zhong)位移電(diàn)流可忽(hu)略;
4)磁場(chǎng)在無限(xiàn)大範圍(wéi)内，磁感(gǎn)應強度(du)B是均勻(yun)分布;
5)充(chōng)分發展(zhǎn)流，對圓(yuan)管而言(yan)呈軸對(dui)稱分布(bù).
式(1)表明(ming)感應電(diàn)動勢正(zheng)比于平(píng)均流速(su).但當流(liu)體的流(liu)速很❓低(di)時☎️，産生(sheng)的感應(yīng)電動勢(shi)很小，難(nan)以同噪(zào)聲⚽進行(háng)區分，緻(zhi)使測量(liang)💔誤差增(zēng)大.因此(ci)，限制了(le)電磁流(liu)量計的(de)測量下(xia)限，對儀(yi)表的靈(líng)敏度、穩(wen)定性和(hé)可靠性(xìng)産生影(yǐng)響.異徑(jing)管設計(ji)要求在(zai)不改變(bian)♈原流場(chǎng)特性的(de)條件下(xia)，适當縮(suō)徑以增(zeng)加流速(su)來提高(gāo)測量靈(ling)敏度.而(ér)矩形截(jié)⭕面管道(dào)相對于(yu)圓形截(jié)面管道(dao)☀️，電極🐅上(shang)的感應(yīng)信号不(bú)依賴于(yu)管道橫(héng)截🐇面的(de)流速分(fèn)布🔞[12J?Bevir[13J證明(ming)在磁場(chǎng)均勻和(he)電極形(xing)狀爲矩(jǔ)形的條(tiao)件下，這(zhe)種依賴(lài)性💛很小(xiao)，可忽略(luè)不計.
電(dian)磁流量(liàng)計的勵(lì)磁電路(lù)，線圈臣(chen)數N，勵磁(cí)電流I，磁(cí)通勢F爲(wèi):
由(7)式可(kě)知，磁感(gǎn)應強度(du)B與勵磁(cí)電流成(cheng)正比，與(yu)磁路的(de)平👅均長(zhang)度L成反(fan)比.對于(yú)相同勵(lì)磁電路(lù)、相同兩(liǎng)電💋極之(zhī)間距🔞離(lí)D和‼️相等(děng)管道橫(heng)截面積(jī)的圓管(guǎn)和矩形(xing)管，矩形(xíng)💃🏻管的高(gao)度h小于(yú)🏃圓管直(zhí)徑D.假設(shè)磁路與(yu)管道之(zhi)間的距(ju)離爲hw，管(guǎn)道橫截(jié)面積爲(wei)圓形和(he)矩形的(de)磁路平(píng)均長度(du)L分别爲(wei)h+2hw和D+2hw·因此(cǐ)，勵磁電(dian)流♉相同(tong)時矩形(xing)管道磁(ci)感應強(qiang)度大于(yú)圓形管(guan)道的磁(ci)感應強(qiang)度.若需(xū)要得到(dào)👣相同磁(cí)感應強(qiang)度B，矩形(xíng)截面管(guan)道所需(xū)勵✨磁電(diàn)流較小(xiǎo)，可提高(gāo)🔞電磁流(liu)量計的(de)低功耗(hào)特性.
2模(mó)型仿真(zhen)
2.1模型的(de)建立與(yu)網格的(de)劃分
2.2Fluent内部參(can)數設置(zhì)
對Fluent中的(de)各參數(shù)設置如(ru)下:模型(xing)求解方(fāng)法選擇(ze)默認🚩設(she)置的非(fēi)搞合求(qiu)解方法(fǎ);定義流(liu)體的物(wu)理性質(zhi)爲水;選(xuǎn)㊙️用k-f.揣流(liú)模型[15J初(chū)始流⭐速(sù)0.1m/s和5m/s，水力(lì)直徑50mm，Yi白(bai)流強度(du)分别爲(wèi)❌5.5%和3.38%.
3仿真(zhēn)結果分(fen)析
3.1異徑(jing)管道流(liú)場分布(bu)
對局部(bù)矩形橫(heng)截面的(de)異徑管(guan)道，在矩(jǔ)形部分(fèn)長度80mm，寬(kuan)度🌈38mm，高度(du)20mm，管♻️道總(zong)長200mm的條(tiao)件下采(cǎi)用Fluent軟件(jian)進行流(liú)場仿真(zhēn)，管道初(chū)始流速(su)分别爲(wei)0.1m/s低流速(su)和5m/s最大(dà)流速.其(qí)壓損和(hé)中心截(jie)面平均(jun)速度如(ru)表1:
表1指(zhǐ)出低流(liu)速0.1m/s時異(yì)徑管道(dào)中間流(liu)速增加(jia)2.58倍，提高(gāo)了測量(liàng)⚽靈🏃♀️敏🈲度(dù)和精确(que)度.初始(shǐ)流速5m/s時(shí)，其壓力(li)損失符(fú)合冷水(shuǐ)水表的(de)檢定規(gui)程[1叫額(é)定工作(zuo)條件下(xia)的最大(da)壓力損(sun)失☔應不(bú)超過0.063MPa.中(zhong)間流速(su)也🔞增加(jiā)2.58倍爲12.9m/s，仍(reng)在傳統(tong)電磁流(liú)量計的(de)測量範(fàn)圍内，但(dan)更大初(chū)始流❄️速(su)可能會(huì)超🔞出測(ce)量範圍(wei).因此，應(yīng)根據使(shi)用條件(jian)合理設(she)計管道(dao)尺寸.圖(tú)2、圖3(其中(zhōng)X、Y軸坐标(biāo)單位均(jun)爲m;速度(dù)💃🏻單位爲(wei)m/s)和圖4表(biao)明🐪異徑(jing)長方體(ti)管道的(de)流場特(te)性穩㊙️定(ding)，設計長(zhǎng)方體異(yi)徑管道(dào)電磁流(liú)量計具(jù)有可行(háng)性🚶.
3.2異徑管(guǎn)道流場(chang)畸變
對(dui)橫截面(miàn)由圓形(xíng)漸變爲(wèi)矩形的(de)異徑管(guan)道，在矩(jǔ)形截面(miàn)部分長(zhang)度80mm，寬度(du)20mm，高度5mm，管(guan)道總長(zhang)度爲200mm的(de)設定條(tiáo)件下采(cǎi)用Fluent軟件(jiàn)進行🈲流(liú)場仿真(zhēn)，管道初(chū)始流速(su)0.1m/s.進出口(kǒu)壓損1903.8014Pa，中(zhong)心截面(mian)平均🤩速(su)度2.4529221m/s,增加(jia)24.5倍.根據(jù)圖5、圖6可(ke)知，如果(guo)矩形截(jie)面部分(fen)的高度(dù)和寬度(dù)壓縮🌂太(tai)大會導(dǎo)緻回流(liu)現象，同(tóng)時異徑(jìng)管的出(chu)口壓力(lì)相對于(yú)進口壓(ya)力小太(tài)多，出現(xiàn)漸擴管(guan)有嚴重(zhong)的揣流(liu)現象，流(liú)場變化(huà)較大.
3.3異(yì)徑管道(dào)橫截面(miàn)積收縮(suo)部分不(bú)同長度(dù)的影晌(shǎng)
對橫截(jie)面由圓(yuán)形漸變(biàn)爲矩形(xíng)的異徑(jìng)管道，在(zai)矩形截(jie)面部分(fen)寬度38mm，高(gāo)度20mm，長度(dù)爲100~40mm，以步(bu)長10mm變化(huà)，管道總(zong)長200mm的條(tiáo)🌈件下采(cǎi)用Fluent軟件(jiàn)進行流(liu)場仿真(zhen).管道人(ren)口初始(shi)流速設(she)定爲O.1m/s.仿(pang)真結果(guǒ)如表2.異(yi)徑管長(zhǎng)度方向(xiàng)上的壓(ya)力損失(shi)由沿程(chéng)壓力損(sun)失引起(qǐ)，差别較(jiào)小，中心(xin)截🐇面平(ping)均速度(dù)✍️基本保(bao)持不變(biàn).
3.4異徑管(guǎn)道橫截(jie)面積收(shou)縮部分(fen)不同寬(kuān)度的影(ying)響
對橫(héng)截面由(you)圓形漸(jiàn)變爲矩(jǔ)形的異(yi)徑管道(dao)，在矩形(xing)截面🐇部(bu)分長度(du)80mm，高度20mm，寬(kuān)度爲48~20mm，以(yi)步長2mm變(biàn)化，管道(dao)總長200mm的(de)條件下(xia)采用Fluent軟(ruan)件進行(hang)流場仿(pang)真，管道(dao)人口初(chu)始流速(sù)設定爲(wèi)0.1m/s.得壓損(sun)和中心(xīn)截面平(píng)均速度(du)分布如(rú)圖7.寬度(du)越小壓(yā)力損失(shī)越大，但(dan)中心截(jie)面平均(jun)速度👄也(ye)越大，随(sui)着寬度(du)的減小(xiǎo)，壓損和(he)中心截(jie)面平均(jun)速度增(zeng)幅增大(da).
3.5異徑管(guan)道橫截(jie)面積收(shōu)縮部分(fèn)不同高(gāo)度的影(yǐng)晌
對橫(héng)截面由(you)圓形漸(jian)變爲矩(jǔ)形的異(yi)徑管道(dao)，在矩形(xing)截面❗部(bù)分長度(du)80mm，寬度50mm，高(gāo)度爲30~8mm，以(yǐ)步長2mm變(biàn)化，管道(dao)總長200mm的(de)條件下(xià)采用🌈Fluent軟(ruǎn)件仿真(zhen)其流場(chǎng)分布，管(guan)道人口(kou)初始流(liú)速O.1m/s.得壓(ya)損和中(zhong)心截面(miàn)平均速(sù)度分布(bù)如圖8.高(gao)度越小(xiao)壓❗力損(sǔn)失越大(dà)，且中心(xin)截面平(ping)均速度(du)也越大(da).随着高(gāo)度的減(jiǎn)小，壓損(sǔn)和中心(xin)截面平(ping)均速度(du)增幅增(zēng)大.
4結語(yǔ)
對橫截(jie)面由圓(yuán)形漸變(bian)爲矩形(xing)的異徑(jìng)電磁流(liu)量計🙇🏻管(guan)道進⛷️行(háng)了三維(wei)模拟仿(páng)真.縮徑(jìng)矩形截(jié)面部分(fen)流體流(liú)🚶♀️速增加(jiā)且流速(su)在管道(dào)橫截面(miàn)上分布(bù)均勻，有(yǒu)利于低(di)流速小(xiao)流量的(de)⛱️精确測(cè)量.矩形(xing)🥵截面部(bù)分的寬(kuān)度和高(gāo)度對進(jìn)出口壓(yā)損和中(zhong)心截面(miàn)平均速(su)度影響(xiang)較大.矩(ju)形截面(mian)異徑管(guan)感應電(dian)動💯勢與(yu)磁感應(ying)✌️強度B成(chéng)正比，與(yu)矩形橫(héng)截面的(de)高度h成(chéng)反比，由(yóu)此高度(du)h越小越(yuè)好.但當(dāng)高度相(xiàng)對于圓(yuan)形✍️人口(kǒu)的通徑(jing)D收🔴縮較(jiao)大時，漸(jiàn)擴管中(zhōng)會出現(xian)明顯的(de)揣流✂️和(hé)空穴現(xiàn)🏒象，因此(ci)收縮比(bi)例不能(néng)太大.采(cǎi)用具有(you)局部收(shou)縮的矩(ju)形截面(miàn)的測量(liang)管道可(kě)提高電(diàn)磁流量(liang)計的勵(lì)磁📧效率(lü)和傳感(gǎn)器輸出(chū)信号的(de)幅度，有(you)利于實(shí)現電磁(ci)流量計(ji)的低功(gong)耗設計(jì).
研究結(jié)果可知(zhi)，設計橫(héng)截面由(yóu)圓形漸(jian)變爲矩(jǔ)形的異(yi)徑管道(dào)電磁流(liu)量計具(jù)有可行(hang)性，理論(lùn)上并不(bu)存在管(guǎn)道尺寸(cun)，具體的(de)🏃管道尺(chi)寸則根(gen)據不改(gǎi)變原流(liú)場特性(xing)太多、流(liú)體速度(dù)範圍和(he)壓力損(sǔn)失等要(yao)求來決(jue)定.相對(dui)于圓形(xíng)截🌂面管(guǎn)道，橫截(jie)面由圓(yuán)形漸變(bian)爲🐪矩形(xing)的異徑(jing)管道電(diàn)磁流量(liàng)計還具(ju)有磁場(chang)均勻、與(yǔ)流速分(fen)布無關(guan)、低功耗(hao)等優點(diǎn).
以上内(nei)容來源(yuan)于網絡(luo)，如有侵(qin)權請聯(lian)系即删(shan)除!