摘要：文中插入(ru)式電磁流量計(ji) 在非對稱溉場(chang)中的用問題。通(tōng)過GAMBIT前處理軟件(jiàn)建立管道及流(liu)量計的物理模(mó)型，并利用FLUENT進行(hang)管道内水動的(de)仿真計算。選取(qu)等值面觀察管(guǎn)道内溉體的速(su)度、壓力等物理(lǐ)量的雲圖，失量(liàng)圖等可視化圖(tu)像。通過圖像分(fen)析得出結論，直(zhi)管道部分的場(chang)分布均勻，而管(guan)道轉彎處的場(chǎng)由于壓力的作(zuo)用，産生了非對(duì)稱場。靠近彎管(guǎn)道内徑的水産(chǎn)生了高速場，明(míng)顯高于外徑的(de)水速度。因此要(yào)在彎管部分進(jìn)行多點測量，以(yǐ)修正流量計在(zai)非對稱流場中(zhong)的測量準度。
　　随(sui)着近些年來我(wo)國流量測量水(shui)平的發展，越來(lái)越多種類的流(liu)量計廣泛應用(yòng)于各種行業。其(qí)中，作爲電磁流(liu)量計中一個種(zhǒng)類的插入式電(diàn)磁流量計，由于(yu)其自身結構的(de)輕巧，安裝拆卸(xiè)便捷，相比制造(zào)費用較高，安拆(chai)與維修都很不(bú)便的普通電磁(cí)流量計而言具(ju)有非常大的優(yōu)勢，從而廣泛應(yīng)用于現在的機(jī)械工業大口徑(jing)管道的流量檢(jiǎn)測中。在國際上(shàng)，由于目前能源(yuán)與環保計量方(fāng)面的需求越來(lai)越大，如機械、化(huà)學工業污水流(liú)量的測量等，各(gè)國家發展插入(ru)式流量計已經(jing)成爲一種趨勢(shi)。
　　我國的插入式(shì)電磁流量計的(de)研究還在上升(shēng)；對于測量精度(du)的提高和實物(wù)的改進還有着(zhe)很大的提升空(kong)間，尤其是在管(guan)道排布複雜、彎(wan)管多、角度大的(de)工業現場，即在(zai)非對稱流場下(xià)的應用還需做(zuò)深入探讨。
１插入(rù)式電磁流量計(jì)的工作原理
　　與(yu)普通的 電磁流(liú)量計 原理相同(tóng)，插入式電磁流(liú)量計的測量原(yuan)理同樣是基宇(yu)法拉第電磁感(gan)虛定律。通過對(duì)目标流場内某(mou)一點流速的測(cè)，經過一系列計(jì)算推導後，得出(chu)整個目标流場(chǎng)的平均流速。所(suo)以說插入式電(diàn)磁流量計是一(yī)種點流速的了(le)流量計。
　　以管道(dao)流速測量爲例(li)，測量流場時，将(jiang)流量計以平行(háng)Ｚ軸，垂直于XOY面方(fang)向插人管遒内(nèi)部，感應電極位(wèi)位于流量計尾(wěi)端兩側，與水流(liu)方向保持垂直(zhí)，且同屬XOY面。水流(liu)流經流量計時(shi)，做切割磁感線(xian)運動，由法拉第(dì)電磁感應定律(lǜ)可知，磁場中會(huì)産生電動勢E=BD`n表(biǎo)示管道橫截面(mian)平均流速。
流量(liàng)Q=`n A,其中，A表示管道(dao)的橫截面積，爲(wèi)定值常數，進行(háng)如下推倒後得(dé)：

　　可知感應電．動(dong)勢E和流量Q是線(xiàn)性關系，與流場(chǎng)内其他變化的(de)物埋無關。即可(kě)以通過流量計(jì)對電信号的捕(bǔ)捉來實現對流(liú)場流量的檢測(cè)。
2 數值計算方法(fa)
FLUEST軟件主要包括(kuò)前處理器GAMBIT和後(hòu)赴理器FLUEST兩部分(fèn)，二者相輔相成(cheng)，缺一不可。
２．１前處(chù)理GAMBIT建模
　　仿真計(ji)算前，首先進行(háng)仿真的前處理(lǐ)，即運用 GAMBIT幾何建(jian)模，之後對所建(jiàn)模進行網格的(de)劃分和生成，誰(shui)知完邊界條件(jian)後輸出mesh文件。把(ba)mesh文件導入到FLUENT中(zhong)進行流體仿真(zhēn)計算。
2.2後處理FLUENT仿(páng)真計算
　　求解計(jì)算有以下幾個(ge)步驟：檢查導入(rù)模型的網格，選(xuǎn)擇計算模定義(yì)流體材料性質(zhì)，設置邊界條件(jian)，求解方法及其(qi)控制，叠代計算(suàn)，檢查保存并分(fèn)析仿真結果。??
３數(shu)值模掀仿真與(yǔ)結果分析
3.1對稱(cheng)流場直管道中(zhong)的仿真模拟
3.1.1圓(yuan)管流動仿真
　　首(shou)先在GAMBIT中簡曆半(bàn)徑0.1m，長度4m的長直(zhí)圓管物理模型(xing)采用六面體網(wang)格劃分管道模(mo)型，如圖1所示。
定(ding)義邊界條件後(hòu)輸出mesh文件，啓動(dòng)FLUENT仿真計算。
　　叠代(dai)計算後，查看結(jie)果，通過圖1可以(yi)看出圓管内的(de)速度值程同心(xīn)圓分布，越靠近(jìn)中心處速度越(yuè)大，在靠近管壁(bì)的區域，速度幾(ji)乎爲零。管道内(nèi)的流速穩定正(zheng)常。

3.1.2插(cha)入式電磁流量(liàng)計後的圓管流(liú)動仿真
　　管道模(mó)型依然選取半(ban)徑0.1m，長4m的圓管， 流(liú)量計 算模型爲(wei)半徑2cm的圓柱體(tǐ)。跟管道和流量(liàng)計相比，電極很(hen)小，對流場造成(chéng)影響可以忽略(luè)不計，因此在建(jiàn)模時可以忽略(luè)電極，簡化幾何(hé)結構。流量計起(qi)阻擋水流作用(yong)。管道及流量計(jì)建立模型圖如(ru)圖2所示。

　　運用GAMBIT建模劃(huà)分網格，其中在(zài)體網格的劃分(fèn)上Element選擇Hex，Type選擇Cooper。管(guan)道模型最終劃(hua)分成的網格如(rú)圖3所示。定義水(shui)流的入口及出(chu)口，流量計模型(xíng)位于左側水流(liu)入口處1m位置。導(dao)入FLUENT求解計算。定(ding)義求解器定水(shuǐ)的流速設置爲(wèi)1m/s。叠代計算後，輸(shu)出結果圖組。

　　由(you)于三維模型的(de)計算結果不方(fang)便查看，所以通(tong)過創建電極所(suo)在的等值面來(lái)觀察電極所在(zai)區域周圍的流(liu)場，選取Z=0.06m平面來(lái)輸出壓力和速(sù)度等值線及雲(yun)圖。選擇速度雲(yún)圖放大觀察，如(rú)圖4所示。

　　根據選取(qǔ)面放大後的速(su)度雲圖觀察可(ke)以看出，水流流(liu)經流量計的時(shi)候，兩側的電極(ji)周圍的流場受(shòu)圓柱繞流影響(xiang)，産生了高速流(liú)場，水流無法很(hěn)好地貼合流量(liang)計後半段壁面(miàn)流動，緻使流速(sù)減小，邊界層出(chū)現分離，産生尾(wěi)渦流區。尾渦區(qu)在一定程度上(shàng)破壞了周圍流(liú)場的穩定性。
　　由(yóu)于傳統型插入(ru)式電磁流量計(ji)的自身形狀不(bú)可避免的會對(duì)所測流場産生(shēng)一定幹擾，因此(cǐ)需要采用機械(xiè)工藝方面的設(she)計對其自身物(wù)理結構進行改(gai)良。
3.2非對稱流場(chang)彎管道中的仿(páng)真模拟
3.2.1非對稱(cheng)流場彎管道中(zhōng)水流動的模拟(ni)
　　根據之前直菅(jian)水流場的模拟(nǐ)可知，在直管中(zhōng)水流是均勻穩(wěn)定的。而管道相(xiang)互連接的彎管(guan)部分其内部的(de)流動會引起很(hen)大的壓力降，對(duì)流體流經轉彎(wān)處後的速度也(ye)會有一定的影(yǐng)響。
　　保持直管部(bù)分與之前的尺(chǐ)寸不變，彎管處(chu)采用半徑4倍管(guan)徑即0.4m的90°彎管。簡(jian)曆物理模型，如(ru)圖5所示，劃分網(wang)格，設定邊界條(tiao)件後求解。

　　叠代計算(suàn)後，觀察輸出的(de)速度雲圖和壓(ya)力雲圖，如圖6和(he)圖7所示。可以看(kan)出彎管處出現(xiàn)了壓力降，内徑(jing)速度明顯大于(yu)外徑。再通過放(fang)大的速度矢量(liang)圖可以看出，轉(zhuǎn)彎處的内徑高(gāo)速水流沿外徑(jìng)流出，并且速度(dù)下降逐漸恢複(fú)轉彎錢的速度(du)，出彎後的内徑(jìng)部分幾乎無流(liu)速，經過一定管(guan)長後恢複勻速(sù)。

所以說彎管部(bù)分的流場是不(bu)均勻的，是非對(duì)稱流場。
3.2.2插入式(shi)電磁流量計後(hou)的彎管流動仿(páng)真
　　在多數現場(chang)環境下，長直管(guan)較少，短直管居(jū)多，然而接近彎(wān)管處的流體分(fèn)布是不對稱拟(ni)合流場，這與對(dui)稱流場下的多(duō)點流速洩露及(jí)數據分析會有(you)較大出入，因此(ci)在彎管部分的(de)檢測要重新選(xuǎn)取不同的點進(jìn)行檢測。
　　保留上(shang)一小節中彎管(guǎn)道物理模型不(bú)變，以水流流向(xiàng)作參考，在靠近(jìn)彎管入口和出(chū)口0.1m處分别插入(ru)流量計模型，進(jìn)行多次測量，除(chú)了流量計插入(ru)位置其餘物理(li)量保持不變。
　　劃(hua)分網格，網格類(lei)型選擇六面體(ti)Hex,劃分方法設置(zhì)爲Cooper即把整個模(mó)型體依據2指定(dìng)的源面來劃分(fèn)，設置網格步長(zhang)Space爲3.設定邊界條(tiao)件，管道入口選(xuan)擇VEOCITY，水流速設定(ding)爲1m/s，出口選擇OUTFLOW，其(qí)餘各邊默認爲(wèi)壁面WALL。輸出網格(gé)，導入FLUENT求解器進(jin)行求解。
　　由于現(xiàn)場實際情況中(zhōng)，工業管道會按(an)照現場需要進(jin)行安置排布，即(ji)橫向豎向多角(jiao)度轉彎，管内流(liu)體是湍流流動(dong)，流場基本上是(shì)不定常的，因此(cǐ)在定義求解器(qi)時，要用非穩态(tài)的求解器進行(háng)模拟計算，即在(zai)Time選項中選擇非(fei)定常Unsteady。其他計算(suan)模型設定，管内(nei)湍流模型分布(bu)方程的離散模(mó)式設定爲k-epsilon即二(èr)階迎風差分格(ge)式，并采用SIMPLEC算法(fǎ)進行修正。然後(hou)定義管道内的(de)流體材料，本次(cì)仿真實驗使用(yòng)液态水爲管道(dao)内的流體。在材(cái)料下拉列表中(zhong)選擇，water-liquid（h20<1>）邊界條件(jiàn)，inlet入口邊界條件(jian)定義水流速爲(wei)1m/s。湍流強度Turbulent Intensity和水(shuǐ)力直徑Hydraulic Diameter選項分(fen)别輸入5和0.04。
設置(zhì)求解參數，初始(shǐ)化及殘差圖後(hou)，保存文件進行(hang)叠代計算。
　　叠代(dai)計算後，殘差圖(tú)均呈收斂狀态(tài)。選擇Z=0.06m平面分别(bie)觀察速度及壓(ya)力雲圖。流量計(jì)在靠近彎管入(ru)口處0.1m的輸出結(jié)果如圖8和9所示(shì)。

　　可以看出轉彎(wān)處依舊出現壓(yā)力降，由于壓力(li)的作用，在水流(liu)在内徑的速度(dù)大于外徑，流量(liang)計兩側産生告(gào)訴流場，兩側電(dian)極可以檢測到(dao)明顯的信号，但(dàn)由于内外徑流(liú)速的不同，兩電(diàn)極所檢測的信(xin)号有一定量差(chà)，流量計尾部速(su)度幾乎爲零。
再(zai)觀察流量計在(zài)靠近彎管出口(kǒu)處0.1m的輸出結果(guǒ)組圖，如如10、圖11所(suo)示。


　　流量計的尾(wei)渦區對水流出(chū)彎後的直管部(bù)分流場有一定(ding)的影響，流量計(jì)電極兩側所檢(jiǎn)測到的信号由(you)于彎管處壓力(li)降的作用存在(zai)量差，并且速度(du)要略大于入口(kou)處。
　　經過以上對(dui)比實驗證明，需(xū)要在彎道入口(kǒu)及出口部分選(xuan)取垂直與XOY面不(bú)同深度的點來(lái)進行測量，從而(ér)得到流量計在(zai)非對稱條件下(xià)測速的理想修(xiu)正函數。
4結論
（1）通(tong)過多次實驗，分(fen)析仿真結果，對(dui)物理模型網格(gé)的劃分精度及(jí)參數的調整校(xiao)正，最終使殘差(cha)圖呈現收斂狀(zhuàng)态。通過對輸出(chū)圖組的觀察分(fèn)析，基本準備模(mo)拟出管道中的(de)流場分布，同事(shì)得出插入式電(diàn)磁流量計對流(liu)場分布影響。
（2）由(you)于工業現場幻(huàn)想彎管道居多(duō)而長直管較少(shǎo)，因此在實際測(ce)量時考慮到非(fei)對稱流場對流(liu)量計測量精度(dù)影響，需要在靠(kao)近彎道的不同(tong)點進行測量以(yi)修正測量結果(guǒ)，保證精度。
（3）由于(yú)圓柱型的流量(liang)計的尾流對所(suǒ)測流場穩定性(xìng)有一定影響，可(kě)以通過機械工(gōng)藝加工對流量(liàng)計的外形進行(hang)改良，盡可能減(jiǎn)少尾流，保證流(liú)場的穩定性。

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