【摘要】通過ICEMCFD軟(ruǎn)件将局部截(jie)面變爲橢圓(yuán)形的異徑導(dǎo)流筒進行了(le)三維建模，使(shi)用Fluent對不同入(rù)口速度下的(de)流線場與速(sù)度分布進行(háng)仿真計算，建(jiàn)立了不同結(jié)構的導流筒(tong)所⭕适用的速(su)度範圍.結果(guo)表明，速度的(de)大小和橢圓(yuán)截面離🔴心率(lü)對流場産生(sheng)的影響較大(dà).當速度減小(xiao)或離心率變(biàn)大時，導流筒(tong)尾部漸擴管(guan)容易發生回(hui)流🔞，緻使流場(chǎng)紊亂.本研究(jiū)能爲橢圓形(xing)📱管道電磁流(liú)量計的結構(gòu)設計提供參(cān)考方案，爲設(shè)計合理的導(dao)流筒提供理(li)論依據.
　　電磁(ci)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(yuán)形截面導流(liu)筒.然而，電磁(ci)流量計對被(bèi)測管道内的(de)流場有一定(dìng)的要求，流場(chǎng)的不👉穩定會(hui)☁️使得流量計(ji)示值不穩定(ding)，緻使測量誤(wù)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(kǒu)速度下流場(chǎng)的流動性與(yǔ)速度分布進(jìn)行‼️Fluent仿真，欲爲(wei)合理的導流(liu)筒提供理論(lùn)依據.
1異徑管(guǎn)結構的電磁(cí)理論分析
　　電(dian)磁流量計是(shi)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(cí)線圈在導流(liú)筒垂直方位(wei)産生磁感應(yīng)強度爲Ｂ的🔞工(gōng)作磁場，待導(dao)電流體穿過(guo)時，在液體兩(liang)側産生感應(ying)電動勢Ｅ，通過(guò)對相應的電(diàn)動勢進行信(xin)号處理而實(shí)現體積流量(liàng)的準确測量(liàng).感應電動勢(shì)大小爲
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
　　式（1）中(zhong)：Ｂ爲工作磁場(chang)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(nèi)徑.
　　導電流體(tǐ)的速度Ｖ與工(gōng)作磁場内的(de)磁感應強度(dù)Ｂ都是有方⛷️向(xiang)🥰性的矢量，但(dàn)各質點的速(sù)度爲非均勻(yún)分布，當♋流體(ti)的流速很小(xiǎo)時，會産生很(hěn)小感應電動(dòng)勢，與噪音🐉混(hun)合後使得測(ce)🏃🏻‍♂️量誤差增大(da)，從而影響到(dào)設備的穩定(ding)性和可靠性(xing).其中Ｅ的數值(zhi)由電💜極測量(liang)，單🙇🏻位時間内(nèi)管道流量計(jì)算公式爲

　　在(zài)電磁流量計(jì)的勵磁線圈(quan)中，電流爲Ｉ，匝(za)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(zu)Ｒm與磁通勢Ｆ爲(wei)

　　式中Ｓ爲磁路(lu)的平均面積(jī)，μ爲介質磁導(dao)率.由磁場歐(ou)姆定律［9］可得(de)磁通量f

　　由（6）式(shì)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(tōng)⁉️過勵🍉磁線圈(quan)的電流Ｉ成正(zhèng)比.相比起均(jun1)勻的圓形管(guǎn)道，橢圓導流(liu)筒内的工作(zuò)磁場縮小了(le)Ｌ值，在産生同(tong)等磁感應強(qiang)度Ｂ的條件下(xià)🐆，勵磁線圈中(zhong)的電流将小(xiǎo)于前💚者，從而(er)可降低電磁(ci)流量計的功(gong)耗.
2Fluent模型建立(lì)與參數設置(zhì)
　　使用ICEMCFD建立橢(tuǒ)圓截面導流(liú)筒的模型.導(dǎo)流筒的中間(jian)🚶‍♀️部分爲橢🥰圓(yuán)管，兩側均爲(wei)橢圓形漸變(biàn)爲圓形的漸(jian)擴管.導流筒(tǒng)半長軸與Ｘ軸(zhou)平行，長度35mm，半(bàn)短軸與Ｙ軸平(ping)🌈行，長度28mm，短長(zhang)半軸之比爲(wei)4/5，橢圓離心率(lü)🈚爲0.60，長88mm.兩端漸(jiàn)擴管最外側(cè)圓形的半徑(jìng)爲50mm，各長81mm.導流(liu)筒總長250mm.該模(mo)♻️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(guan)道的電磁流(liú)量計将導流(liu)筒兩端分别(bie)定義爲出口(kou)與出口.流體(ti)在入口邊界(jie)以固定速度(du)垂直與入口(kǒu)邊界流入，在(zài)出口邊界自(zi)由流出，忽略(luè)重力.定義其(qí)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(tu)1所示.單元格(gé)數⛹🏻‍♀️量爲204萬，網(wǎng)格質量評價(jià)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(mǎn)足精度和收(shou)斂要求.文中(zhong)其它結構的(de)三維模型網(wang)格，其類型與(yǔ)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(yè)體水，仿真将(jiang)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(pang)真結果分析(xi)
　　以不同進口(kou)速度對該結(jié)構導流筒進(jin)行流場仿真(zhen)💋，求解後使用(yòng)🙇‍♀️軟件提取數(shù)據.由于磁場(chǎng)方向平行于(yu)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(su)下的仿真分(fèn)析
　　取流入速(sù)度爲0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設置仿(pang)真計算的叠(die)代步數爲300，過(guo)程中分别在(zai)第211步、第186步時(shi)計算結果收(shou)斂，流量計流(liú)道區域内可(kě)視爲穩态的(de)定常流動.管(guǎn)内速度雲圖(tu)如圖2、圖3，流👣線(xiàn)圖如圖4、圖5.


　　由(you)圖2、圖3可知，在(zai)進口速度爲(wei)0.1m/ｓ與0.3m/ｓ條件下，速(su)度雲圖無明(ming)顯差别，平面(mian)直管段的速(sù)度分布的上(shang)下對稱性較(jiào)高🐉，靠管壁速(su)度小，中間大(da)，出口流體向(xiàng)兩側流動🍓，中(zhōng)間區流速小(xiǎo)🙇‍♀️.

　　如(rú)圖4、圖5，當入口(kou)速度爲0.1m/ｓ時，末(mo)端發生回流(liu)現象，但中間(jiān)直管段流場(chang)平穩，沒有受(shòu)到尾部回流(liu)影響.當初始(shi)速🐉度增加爲(wei)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(suan)的叠代步數(shù)爲300，過程☎️中📐在(zài)第96步計算結(jie)果受斂，可視(shì)爲定常流動(dong).速度雲圖如(ru)圖🐇6.

　　中間直管(guan)段内靠管壁(bi)處速度小，中(zhōng)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(zhong)間直管段與(yu)尾部漸擴管(guǎn)的流場非常(cháng)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(liu)道✏️域内均爲(wei)穩态的定常(chang)流動，且流場(chang)平穩，速度分(fen)布對稱性較(jiao)💜高，故該結構(gou)的電磁流量(liàng)計在大小流(liu)速條件下的(de)使用均是可(kě)行的.
4離心率(lǜ)對流場的影(ying)響
4.1離心率爲(wei)0.8
　　中間橢圓截(jié)面直管段短(duǎn)長半軸之比(bi)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(ci)條件下使用(yong)Fluent進行模拟計(jì)算，過程中分(fèn)别在第🚶‍♀️263步、192步(bu)時計算結果(guǒ)收斂，可視爲(wei)🎯定常流動.結(jie)果☔如圖8至圖(tu)10.


　　入口速度爲(wèi)0.1m/ｓ時（圖8、圖9），中間(jian)直管段内靠(kao)近但不接觸(chu)管壁🚩的位置(zhi)流速大，中間(jiān)小.速度分布(bu)的上下對稱(chēng)性較高，流道(dao)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(zhì)5.0m/ｓ時（圖10、圖11），中間(jiān)直管段内速(sù)度分布基本(běn)均勻☀️，尾部回(huí)流消失，流場(chǎng)⭐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(wei)🔴0.1m/ｓ與5.0m/ｓ條件下均(jun1)爲穩态流動(dòng)，速度分布對(duì)稱，直管内流(liú)場平穩，那👈麽(me)該結構✂️導流(liú)筒的電磁流(liu)量計在大小(xiao)流速條件下(xià)的使用均是(shi)可行的.
4.2離心(xīn)率爲0.916
　　半長軸(zhou)長35mm，半短軸長(zhǎng)14mm，短長半軸之(zhī)比2/5，離心率0.916.分(fèn)别設置入口(kǒu)速度在0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的條(tiáo)件下通過Fluent進(jin)行模拟仿真(zhēn)，設置📞計算🥵叠(die)代步數爲1000，過(guò)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(tú)14爲步👅數等于(yu)1000時瞬時結果(guo)的🔆抓取.

　　由圖(tu)12、圖13可知，當入(ru)口速度爲0.1m/ｓ時(shi)，導流筒内速(sù)度分布無明(ming)顯規律，存在(zài)較大的流場(chǎng)畸變.因爲導(dao)流筒兩側産(chǎn)生的感應💋電(dian)動勢與流速(sù)成正比，且流(liu)量計是根據(ju)流速值計算(suàn)出一定時間(jiān)内通過管道(dao)的體積流量(liàng)，所以💋在非穩(wěn)态流場條件(jian)下流量計檢(jian)測到的是大(da)小搖擺不定(dìng)的感應電動(dòng)勢，爲體積流(liú)量的計算造(zao)成許多不确(què)定因素，還降(jiang)低了計量精(jing)度.
　　設置流入(ru)速度爲5.0m/ｓ，計算(suan)過程中第117步(bu)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(chǎng)分布平穩，中(zhōng)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(tú)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(zeng)大到一定值(zhí)後，流場穩定(ding).

5不同結構導(dao)流筒所适應(ying)的速度區間(jiān)
　　在完成不同(tong)結構導流筒(tǒng)在小流速與(yu)大流速情況(kuàng)下的仿真之(zhī)後，對入口流(liu)速分别爲0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的(de)條件下進行(hang)模拟計算✂️.以(yǐ)流場速度分(fen)🛀布爲判據，得(de)出了不同結(jie)✂️構橢圓🐇管所(suo)适應的速度(du)區間.由表1可(kě)知：截面離心(xin)率爲0.600和0.800的橢(tuǒ)圓形導流筒(tǒng)的速度均适(shì)用于大流速(sù)與小流速，而(er)截面離心率(lü)🍓爲0.916的導流筒(tong)卻不适用于(yú)小流量的條(tiáo)件，當該結構(gou)導流筒的入(ru)口流速♈達到(dào)0.8m/ｓ及以上時，内(nèi)部流場分布(bù)才被接受.雖(sui)橢圓變扁，磁(cí)路長度平均(jun1)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(guo)大會犧牲測(ce)速量程，導緻(zhì)量程下限升(sheng)高，小💘流量的(de)🧡狀态下不再(zài)适用.

6結論
本(ben)文針對局部(bù)變爲橢圓形(xing)截面的異徑(jing)導流筒進行(háng)了模拟仿真(zhen)計算.得出結(jie)論如下：
1）減小(xiǎo)磁路長度平(ping)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(lì)磁線圈的電(diàn)流Ｉ，從而提升(sheng)流量計✏️的靈(ling)敏度，降低功(gong)耗.
2）當橢圓離(lí)心率增大到(dao)一定值時，尾(wěi)部漸擴管便(bian)會出現明顯(xiǎn)的回流現象(xiang)，緻使流量計(jì)量程下限升(sheng)高，不再适用(yong)于低♌速計🛀量(liang).
3）入口速度對(duì)管内速度場(chang)的影響頗爲(wèi)重要，大流速(su)在導流筒各(gè)部位的流場(chǎng)較平穩，小流(liú)速則容易發(fā)生回流現象(xiàng)，随着入口速(su)度降低，回流(liú)更顯著.
4）離心(xīn)率爲0.8的橢圓(yuan)截面導流筒(tǒng)可最大條件(jian)下滿足縮徑(jing)和流場要求(qiú)，該尺寸适合(hé)在流量計中(zhōng)使用.

以上内(nei)容來源于網(wang)絡，如有侵權(quan)請聯系即删(shān)除!