摘要(yao)：采用Fluent軟件對圓(yuán)形截面漸變爲(wei)矩形截面的異(yi)徑管♻️道流場進(jin)行蘭維建模和(hé)數值仿真，分析(xi)了橫截面收縮(suō)異徑管的速度(du)分布和流線，建(jiàn)立了矩形截面(mian)部分的長度、寬(kuan)度📱、高度與👌進出(chu)口壓力損失和(he)中心截面平均(jun1)速度🙇‍♀️之間的關(guan)系.研究表明，中(zhong)間矩形截面部(bu)分的寬度和高(gao)度對進出口㊙️壓(ya)損和中心🌏截面(miàn)平均速度⛹🏻‍♀️影響(xiǎng)較大，同時橫截(jie)面積收縮比例(lì)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻太大會導緻流(liú)場紊亂和💋回流(liú)現象💜，從而爲合(hé)理設🤟計局部橫(heng)截面積收縮的(de)電磁流量測量(liàng)管道提供♉了理(li)論依據.
　　目前國(guó)内生産的電磁(cí)流量計 測量管(guan)道多爲均勻圓(yuán)管，應用領域越(yue)來越廣.然而電(dian)磁🚩流量計在原(yuán)理上要求管道(dào)流速爲中心軸(zhou)對稱分布，這樣(yàng)，具💋有均勻磁♌場(chǎng)和點電極的電(dian)磁流量計的輸(shu)出信号與流速(sù)成正;同時電磁(ci)流量計在低流(liu)速的小流量測(cè)量時，可靠性和(hé)精度都不太理(li)想.所以，如何在(zài)🈚低流速小流量(liàng)下實現流量的(de)精确測量和低(di)功耗設🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計成爲(wei)人們關注的熱(rè)點[1-2J爲了✨适應💜低(dī)功耗設計要求(qiu)，目前在電磁流(liu)量計的勵磁方(fang)式、管道結構、硬(ying)件電路和電極(ji)形狀等方面進(jin)行了不斷改進(jìn)并🆚取得了不同(tong)程度的進展.
　　對(duì)于異徑管道，目(mu)前國内的相關(guan)文獻較少.主要(yào)是通過在🔞原🔞來(lai)圓形橫截面管(guǎn)道的基礎上增(zēng)加縮徑圓管，再(zài)采用小口徑傳(chuán)統電磁流量計(jì)對增速的流量(liàng)進行測量[町，以(yi)提高測量精🈲度(du).Heijnsdijk[7J等把縮徑作爲(wèi)電磁流量計管(guǎn)道結構的一部(bù)分，并設計了🔞不(bu)同形狀🌈的中間(jiān)管道截面.Korsunskii[町等(děng)證明對于矩形(xing)截面管道，電極(ji)上的感應💰信号(hào)不依賴于流速(su)分布.Lim[9J對傳統的(de)電🐇磁流量計進(jin)行改進，設計🈲了(le)長方體管道結(jie)構和磁場🌈結構(gòu)，分析了矩形電(dian)極的權重函數(shu)分布.
　　橫截面積(jī)局部收縮爲矩(jǔ)形的電磁流量(liàng)測量管道👣内✍️的(de)速度分布、壓力(lì)損失和流動特(tè)性進行Fluent仿真，欲(yu)爲合理的電磁(ci)♻️流量計管道結(jié)構設計提供一(yi)定依據.
1電磁流(liu)量計原理
　　電磁(cí)流量計是一種(zhǒng)根據法拉第電(diàn)磁感應定律來(lái)測🚩量導電液體(ti)體積流量的儀(yi)表.其勵磁線圈(quān)将磁場施💋加給(gei)被測流體，從而(ér)通過檢測磁場(chang)中運動流體的(de)感應電動🌂勢并(bing)進行相應的信(xìn)号處理來實現(xiàn)流量的準👨‍❤️‍👨确測(ce)量。
對于圓形管(guǎn)道電磁流量計(ji)，輸出信号電壓(ya)爲:
E=B×`n×D(1)
式中:E爲感應(ying)電動勢，B爲磁感(gan)應強度，`n爲運動(dong)平均速度，D爲🐅兩(liǎng)電極之間的距(ju)離(對于圓形管(guǎn)道，D爲測量管内(nei)徑).
假設管道的(de)橫截面積爲A，流(liú)量爲q，則(1)式爲:

在(zài)建立電磁流量(liàng)計這個基本方(fāng)程的過程中作(zuò)了如下假設；
1)流(liú)體磁導率μ均勻(yun)，且等于真空中(zhong)磁導率，即流體(tǐ)是非磁性的;
2)流(liú)體的電導率均(jun1)勻，并滿足Ohm定律(lǜ);
3)流體中位移電(diàn)流可忽略;
4)磁場(chang)在無限大範圍(wéi)内，磁感應強度(du)B是均勻分布;
5)充(chong)分發展流，對圓(yuán)管而言呈軸對(duì)稱分布.
　　式(1)表明(míng)感應電動勢正(zheng)比于平均流速(su).但當流體的流(liú)速很低時，産生(sheng)的感應電動勢(shi)很小，難以同噪(zào)聲進行區分🧡，緻(zhi)使測量♍誤差增(zeng)大.因此，限制了(le)電磁流量計的(de)🐆測量下限，對儀(yí)⭐表的靈🏃‍♂️敏度、穩(wen)定性和可靠🔴性(xìng)産生影響.異徑(jìng)管設計要求在(zài)不改變原流場(chǎng)特性的條件下(xià)，适當縮徑以增(zeng)加流速來🔞提高(gāo)測量靈🐇敏度.而(ér)矩形截🈲面管道(dao)相對于圓形截(jié)面管道，電極上(shàng)的感應信号不(bú)依賴于管道橫(heng)截面的流速分(fèn)布[12J?Bevir[13J證明在磁場(chǎng)均勻和☎️電極形(xing)狀爲矩形的條(tiáo)件下，這種依賴(lai)性很小，可忽略(lue)不計.
電磁流量(liàng)計的勵磁電路(lù)，線圈臣數N，勵磁(ci)電流I，磁通勢☔F爲(wèi):

　　由(7)式可知，磁感(gan)應強度B與勵磁(cí)電流成正比，與(yǔ)磁路的平🈲均長(zhǎng)度L成反比.對于(yú)相同勵磁電路(lù)、相同兩電極之(zhī)間距離D和相等(deng)管道橫截面積(ji)的圓管和矩形(xing)🙇‍♀️管，矩形管的高(gāo)度h小于圓管直(zhí)徑D.假設磁路與(yǔ)管道🏃‍♂️之間的距(jù)離爲hw，管道橫截(jie)面積🌈爲圓形和(he)矩形的磁路平(ping)均長度☎️L分别爲(wei)h+2hw和D+2hw·因此，勵磁電(diàn)流相同時矩形(xíng)🚶‍♀️管道磁感應強(qiáng)度大于圓形管(guan)㊙️道的磁感應強(qiáng)度.若需要得到(dào)相同磁感應強(qiang)度B，矩形截面管(guan)道所需勵磁電(dian)流較小，可提高(gāo)👅電磁流量計的(de)低🙇🏻功💯耗特性.
2模(mo)型仿真
2.1模型的(de)建立與網格的(de)劃分

2.2Fluent内部參(can)數設置
　　對Fluent中的(de)各參數設置如(ru)下:模型求解方(fang)法選擇默認設(she)置的非搞合求(qiu)解方法;定義流(liú)體的物理性質(zhi)爲水;選用k-f.揣流(liú)模🎯型[15J初始流🍉速(su)0.1m/s和5m/s，水力直徑50mm，Yi白(bái)流強度分别爲(wei)5.5%和3.38%.
3仿真結果分(fèn)析
3.1異徑管道流(liú)場分布
　　對局部(bù)矩形橫截面的(de)異徑管道，在矩(ju)形部分長度80mm，寬(kuān)度38mm，高度20mm，管道總(zong)長200mm的條件下采(cai)用Fluent軟件進行流(liú)場仿真🧡，管道‼️初(chū)始流速分别爲(wei)0.1m/s低流速和5m/s最大(dà)流速.其壓損和(hé)中心截面平均(jun1)🌂速度如表1:

　　表1指(zhi)出低流速0.1m/s時異(yi)徑管道中間流(liú)速增加2.58倍，提高(gāo)🐇了測量靈敏度(du)和精确度.初始(shǐ)流速5m/s時，其壓力(lì)損失符合冷水(shui)水表的檢定規(guī)程[1叫額定工作(zuo)條件下的最大(dà)壓力損失應不(bu)超過0.063MPa.中間流速(sù)也增加2.58倍爲12.9m/s，仍(réng)🐅在傳統電磁流(liu)量計的測量範(fàn)✨圍内，但更🤟大初(chū)始流🌍速可能會(hui)超👌出測量範圍(wéi)💰.因此，應根據使(shǐ)用條件合👉理設(shè)計管道尺🈲寸.圖(tú)2、圖3(其中X、Y軸坐标(biāo)單位均爲m;速度(dù)單位爲m/s)和圖4表(biao)明異徑長方體(tǐ)管道的流場特(te)性穩定，設計長(zhǎng)方體異徑🛀管道(dao)電磁流量計✔️具(jù)有可行性.



3.2異徑管道流場(chang)畸變
　　對橫截面(miàn)由圓形漸變爲(wei)矩形的異徑管(guǎn)道，在矩形截面(miàn)部分長度80mm，寬度(du)20mm，高度5mm，管道總長(zhǎng)度爲200mm的設定條(tiáo)件下采用Fluent軟件(jiàn)進行流場仿真(zhēn)，管道初始流速(su)0.1m/s.進出口壓損1903.8014Pa，中(zhong)心截面平均速(sù)度2.4529221m/s,增加24.5倍.根💜據(ju)圖5、圖6可知，如果(guǒ)矩形截面部分(fèn)的高度和寬度(du)壓縮太大會導(dǎo)緻回流現象，同(tong)時異徑管的出(chu)口壓力相對于(yú)進口👌壓力小太(tai)多，出現漸擴管(guǎn)有嚴重的揣流(liú)現象，流場變化(hua)較大.


3.3異徑管道(dào)橫截面積收縮(suo)部分不同長度(du)的影晌
　　對橫截(jié)面由圓形漸變(bian)爲矩形的異徑(jìng)管道，在矩形截(jie)💁面部分寬度38mm，高(gāo)度20mm，長度爲100~40mm，以步(bù)長10mm變化，管道總(zǒng)長200mm的條件下采(cǎi)用Fluent軟件進行流(liu)場仿真.管道人(ren)口初始👌流速設(she)定爲O.1m/s.仿💯真結果(guǒ)如表2.異徑管長(zhǎng)度方向上的🐉壓(ya)力損失由沿程(chéng)壓力損失引🈲起(qǐ)，差别較小，中心(xin)截面平均速度(dù)基本保持不🌈變(bian).

3.4異徑管道橫截(jie)面積收縮部分(fèn)不同寬度的影(yǐng)響
　　對橫截面由(yóu)圓形漸變爲矩(ju)形的異徑管道(dào)，在矩形👌截面部(bu)分長📐度80mm，高度20mm，寬(kuān)度爲48~20mm，以步長2mm變(biàn)化，管道總長200mm的(de)條件下采用Fluent軟(ruan)件進行流場仿(pang)真，管道人口初(chu)始流速設定爲(wei)0.1m/s.得壓損和中心(xīn)截面平均🛀速度(dù)分布如圖7.寬度(du)越小壓力損失(shī)越大，但中心截(jie)面平均速度也(yě)越大，随着寬度(du)的減小，壓損和(hé)中心截面平均(jun1)速度增幅增大(dà).

3.5異徑管(guǎn)道橫截面積收(shou)縮部分不同高(gao)度的影晌
　　對橫(héng)截面由圓形漸(jiàn)變爲矩形的異(yì)徑管道，在矩形(xing)截面部分長度(du)80mm，寬度50mm，高度爲30~8mm，以(yi)步長2mm變化，管道(dao)總長200mm的條件下(xià)采用Fluent軟件仿真(zhen)其流場分布，管(guǎn)道人口初始流(liú)速O.1m/s.得壓損和中(zhōng)心🏃🏻截面平👌均速(su)度分布如圖8.高(gao)度越小壓力損(sun)失越大，且中心(xīn)截面平均👌速度(du)也越🌈大.随着高(gao)度的減小，壓損(sun)和中心截面平(píng)均速度增幅增(zeng)大.

4結語(yu)
　　對橫截面由圓(yuan)形漸變爲矩形(xing)的異徑電磁流(liu)量計💋管道進行(háng)了三維模拟仿(páng)真.縮徑矩形截(jie)面部分流體流(liú)速增加且🐕流速(su)🆚在管🔴道橫截面(mian)上分布均勻，有(you)利于低流速小(xiǎo)🌈流量的精确測(ce)量.矩形❗截面部(bù)分的寬度和高(gao)度對進出口壓(yā)損和✔️中心截面(mian)💔平均速度影響(xiang)較大.矩形截面(mian)異徑管感應電(diàn)動勢與磁感應(yīng)強度B成正比，與(yu)矩形橫截面的(de)高度h成反比，由(yóu)此高度h越小越(yuè)好.但當高度相(xiàng)對于圓形人口(kou)的通徑D收縮較(jiào)大時，漸擴管中(zhōng)🈚會出現明顯的(de)揣流和空穴現(xiàn)象，因此收縮比(bǐ)例不能太大.采(cai)用具有局部收(shōu)縮的矩形截面(miàn)的測量管道可(kě)❄️提高電磁流量(liang)計的勵磁效率(lü)和傳感器輸出(chu)信号的💞幅度，有(yǒu)利于實現電磁(cí)流量計的低功(gōng)耗設計.
　　研究結(jie)果可知，設計橫(héng)截面由圓形漸(jian)變爲矩形的異(yi)徑🤟管道✊電🤟磁流(liu)量計具有可行(háng)性，理論上并不(bu)存在管道尺寸(cun)，具體的管道尺(chǐ)寸則根據不改(gǎi)變原流場特性(xìng)太多、流體速度(dù)範圍和壓力損(sun)失等要求來決(jué)定.相對于圓形(xing)截面管道，橫截(jie)面由圓形漸變(biàn)爲矩形的異徑(jìng)管道電磁流📐量(liang)計還具有😘磁場(chǎng)均勻、與流速分(fèn)布無🛀🏻關🤞、低功耗(hao)等優點.

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