【摘要】通(tong)過ICEMCFD軟件(jian)将局部(bu)截面變(bian)爲橢圓(yuan)形的異(yi)徑導流(liu)筒🈚進行(hang)了三維(wei)建模，使(shi)用Fluent對不(bu)同入口(kou)速度下(xia)的流線(xian)場與速(su)度分布(bu)進行仿(pang)真計算(suan)，建立了(le)不同結(jie)構的導(dao)流筒所(suo)适用的(de)✏️速度範(fan)圍.結果(guo)🥰表明，速(su)度的大(da)小和橢(tuo)✍️圓截面(mian)離心率(lü)對流場(chang)産生的(de)影響較(jiao)大👣.當速(su)度減小(xiao)或離心(xin)率變大(da)時，導流(liu)筒尾部(bu)漸擴管(guan)🏃🏻‍♂️容易發(fa)生回流(liu)，緻使流(liu)場紊亂(luan).本研究(jiu)能爲橢(tuo)圓形管(guan)道電磁(ci)流量計(ji)的結構(gou)設計提(ti)供參考(kao)方案，爲(wei)設計合(he)理的導(dao)流筒提(ti)供理論(lun)依據.
　　電(dian)磁流量(liang)計 是工(gong)業過程(cheng)中用于(yu)計量導(dao)電性流(liu)體體積(ji)流量的(de)儀表［1］，當(dang)前國内(nei)使用大(da)多電磁(ci)流量計(ji)爲圓形(xing)截面🧑🏽‍🤝‍🧑🏻導(dao)流筒.然(ran)而，電磁(ci)流🥵量計(ji)對被測(ce)管道内(nei)的流場(chang)有一定(ding)的♍要求(qiu)，流場的(de)不穩定(ding)會使得(de)流量計(ji)示值不(bu)穩定，緻(zhi)使測量(liang)誤差加(jia)大［2－3］.爲了(le)解決這(zhe)些問題(ti)，本文提(ti)出橢圓(yuan)形🆚截面(mian)管道設(she)計方案(an).
　　針對橫(heng)截面爲(wei)不同離(li)心率橢(tuo)圓形的(de)導流筒(tong)，對在不(bu)💔同入🍉口(kou)速度下(xia)流場的(de)流動性(xing)與速度(du)分布進(jin)行Fluent仿真(zhen)，欲爲合(he)理的導(dao)流筒❌提(ti)供理論(lun)依據.
1異(yi)徑管結(jie)構的電(dian)磁理論(lun)分析
　　電(dian)磁流量(liang)計是基(ji)于法拉(la)第電磁(ci)感應定(ding)律而開(kai)發的計(ji)量儀❗表(biao)［8］.通電後(hou)的勵磁(ci)線圈在(zai)導流筒(tong)垂直方(fang)位産♻️生(sheng)磁感應(ying)強度爲(wei)Ｂ的工作(zuo)磁場，待(dai)導電流(liu)體穿過(guo)時，在液(ye)體兩側(ce)産生🏃🏻‍♂️感(gan)應電動(dong)勢Ｅ，通過(guo)對相應(ying)的電動(dong)勢進行(hang)信号處(chu)理而實(shi)現體積(ji)流量的(de)準确測(ce)量.感應(ying)電動勢(shi)大小爲(wei)
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
　　式（1）中：Ｂ爲(wei)工作磁(ci)場中的(de)磁感應(ying)強度；Ｖ爲(wei)導電液(ye)體流速(su)；Ｄ爲測量(liang)導管内(nei)徑.
　　導電(dian)流體的(de)速度Ｖ與(yu)工作磁(ci)場内的(de)磁感應(ying)強度Ｂ都(dou)是有方(fang)向性的(de)矢量，但(dan)各質點(dian)的速度(du)爲非均(jun)勻分布(bu)，當流體(ti)的流🙇🏻速(su)很小時(shi)，會産生(sheng)很小感(gan)應電動(dong)勢，與噪(zao)音♻️混合(he)後🌍使得(de)測量誤(wu)差增大(da)，從而影(ying)響到設(she)😘備的穩(wen)定性和(he)可靠性(xing).其中Ｅ的(de)數值由(you)電極測(ce)量，單🐇位(wei)時間内(nei)管道流(liu)量計算(suan)🈲公式爲(wei)

　　在電磁(ci)流量計(ji)的勵磁(ci)線圈中(zhong)，電流爲(wei)Ｉ，匝數爲(wei)Ｎ，穿過工(gong)⭕作區域(yu)的磁路(lu)長度均(jun)值爲Ｌ，可(ke)得磁阻(zu)Ｒm與磁通(tong)勢Ｆ爲

　　式(shi)中Ｓ爲磁(ci)路的平(ping)均面積(ji)，μ爲介質(zhi)磁導率(lü).由磁場(chang)歐姆定(ding)律［9］可得(de)磁通量(liang)f

　　由（6）式可(ke)知，磁感(gan)應強度(du)Ｂ與磁路(lu)長度平(ping)均值Ｌ成(cheng)反比，與(yu)通過勵(li)磁線圈(quan)的電流(liu)Ｉ成正比(bi).相比起(qi)均勻的(de)圓形管(guan)道，橢圓(yuan)導流筒(tong)内的工(gong)作磁場(chang)縮小了(le)Ｌ值，在産(chan)生同等(deng)磁感應(ying)強度Ｂ的(de)條件下(xia)，勵磁線(xian)圈中的(de)電流将(jiang)小于前(qian)者，從而(er)可🔴降低(di)電磁流(liu)量計的(de)功耗.
2Fluent模(mo)型建立(li)與參數(shu)設置
　　使(shi)用ICEMCFD建立(li)橢圓截(jie)面導流(liu)筒的模(mo)型.導流(liu)筒的中(zhong)間部分(fen)🏃‍♂️爲橢圓(yuan)管，兩側(ce)均爲橢(tuo)圓形漸(jian)變爲圓(yuan)形的漸(jian)擴管.導(dao)流筒半(ban)長軸與(yu)Ｘ軸🔆平行(hang)，長度35mm，半(ban)短軸與(yu)Ｙ軸平💛行(hang)，長度28mm，短(duan)長半軸(zhou)之比爲(wei)4/5，橢圓離(li)心率爲(wei)0.60，長88mm.兩端(duan)漸擴管(guan)最外側(ce)圓形的(de)半徑爲(wei)50mm，各長81mm.導(dao)流筒總(zong)長250mm.該模(mo)🚶‍♀️型的對(dui)象爲在(zai)中間直(zhi)管🚶段具(ju)有均勻(yun)🏃🏻‍♂️磁場分(fen)布的🌂橢(tuo)圓截面(mian)管道的(de)電磁流(liu)量計将(jiang)導流筒(tong)兩端✉️分(fen)别定義(yi)爲出口(kou)與出口(kou).流體在(zai)入口邊(bian)界以固(gu)定速度(du)垂直與(yu)入口邊(bian)界流入(ru)，在出口(kou)邊界自(zi)由流出(chu)，忽略重(zhong)力.定義(yi)其他區(qu)域爲壁(bi)面，最❤️後(hou)以四面(mian)體結構(gou)對模型(xing)進行網(wang)格劃分(fen)，如圖1所(suo)示.單元(yuan)格數量(liang)爲204萬，網(wang)格質量(liang)評價系(xi)數爲：0.65～0.70（2.5%）；0.70～0.90（8.6%）；0.90～1.0（86.2%）.該(gai)三🧑🏾‍🤝‍🧑🏼維模(mo)型網格(ge)質量能(neng)夠滿足(zu)精度和(he)收斂要(yao)求.文中(zhong)其它結(jie)構的三(san)維模型(xing)網格，其(qi)類型📧與(yu)上述一(yi)緻，網格(ge)質量基(ji)本相同(tong).

　　設置(zhi)模型爲(wei)ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模(mo)型［10］，模拟(ni)對象爲(wei)液體水(shui)，仿真将(jiang)以入㊙️口(kou)⭐流速分(fen)别爲小(xiao)流速0.1m/ｓ、0.3m/ｓ與(yu)大流速(su)5.0m/ｓ的條件(jian)下進行(hang).
3速度場(chang)仿真結(jie)果分析(xi)
　　以不同(tong)進口速(su)度對該(gai)結構導(dao)流筒進(jin)行流場(chang)仿真，求(qiu)解👨‍❤️‍👨後⭕使(shi)用♋軟件(jian)提取數(shu)據.由于(yu)磁場方(fang)向平行(hang)于Ｙ軸，故(gu)圖2至圖(tu)15是在選(xuan)㊙️取了與(yu)Ｙ軸垂直(zhi)的ＸＯＺ坐标(biao)平面，并(bing)觀察速(su)度雲與(yu)流線分(fen)布圖，計(ji)算結果(guo)如下.
3.1小(xiao)流速下(xia)的仿真(zhen)分析
　　取(qu)流入速(su)度爲0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設(she)置仿真(zhen)計算的(de)叠代步(bu)數爲300，過(guo)程✉️中分(fen)🚶别🏃‍♂️在第(di)211步、第186步(bu)時計算(suan)結果收(shou)斂，流量(liang)計流道(dao)👣區域内(nei)可視爲(wei)穩态的(de)定常流(liu)動.管内(nei)速度雲(yun)圖如圖(tu)2、圖3，流線(xian)圖如圖(tu)4、圖5.


　　由圖(tu)2、圖3可知(zhi)，在進口(kou)速度爲(wei)0.1m/ｓ與0.3m/ｓ條件(jian)下，速度(du)雲圖無(wu)明💜顯🏒差(cha)别，平面(mian)直管段(duan)的速度(du)分布的(de)上下對(dui)稱性💰較(jiao)高，靠管(guan)壁速度(du)小，中間(jian)大，出口(kou)流體向(xiang)兩側流(liu)動，中間(jian)區流速(su)小🎯.

　　如圖4、圖(tu)5，當入口(kou)速度爲(wei)0.1m/ｓ時，末端(duan)發生回(hui)流現象(xiang)，但中間(jian)直管段(duan)流⛱️場平(ping)穩，沒有(you)受到尾(wei)部回流(liu)影響.當(dang)初始速(su)度增加(jia)爲0.3m/ｓ時尾(wei)部的回(hui)流減弱(ruo).
3.2大流速(su)下的仿(pang)真分析(xi)
　　設置進(jin)口速度(du)爲5.0m/ｓ，設置(zhi)仿真計(ji)算的叠(die)代步數(shu)爲300，過程(cheng)中在第(di)🐆96步計算(suan)結果受(shou)斂，可視(shi)爲定常(chang)流動.速(su)度雲圖(tu)如圖6.

　　中(zhong)間直管(guan)段内靠(kao)管壁處(chu)速度小(xiao)，中間大(da)，速度分(fen)布的上(shang)㊙️下對🧡稱(cheng)性較高(gao).在圖7中(zhong)，當流速(su)增加爲(wei)5.0m/ｓ時，中間(jian)直管段(duan)與尾部(bu)漸擴管(guan)的流場(chang)非常平(ping)穩，無回(hui)流現象(xiang).

　　綜合圖(tu)4、圖5、圖7可(ke)見，随着(zhe)流體速(su)度增加(jia)，回流減(jian)弱.綜合(he)3.1與👨‍❤️‍👨3.2，流♻️道(dao)🌐域内均(jun)爲穩态(tai)的定常(chang)流動，且(qie)流場平(ping)穩，速度(du)分布對(dui)稱性較(jiao)高，故該(gai)結構的(de)電磁流(liu)量計在(zai)😘大小流(liu)⛹🏻‍♀️速條件(jian)下的使(shi)❤️用均是(shi)可行的(de).
4離心率(lü)對流場(chang)的影響(xiang)
4.1離心率(lü)爲0.8
　　中間(jian)橢圓截(jie)面直管(guan)段短長(zhang)半軸之(zhi)比爲3/5，離(li)心率0.8.分(fen)别👌定義(yi)😄入口速(su)度爲0.1m/ｓ、5.0m/ｓ，在(zai)此條件(jian)下使用(yong)Fluent進行模(mo)拟計🔴算(suan)，過程中(zhong)分别在(zai)第263步、192步(bu)🈚時計算(suan)結果收(shou)斂，可視(shi)爲💞定常(chang)流動.結(jie)果如圖(tu)8至圖10.


　　入(ru)口速度(du)爲0.1m/ｓ時（圖(tu)8、圖9），中間(jian)直管段(duan)内靠近(jin)但不接(jie)觸管✉️壁(bi)的位置(zhi)流速大(da)，中間小(xiao).速度分(fen)布的上(shang)下對稱(cheng)性較高(gao)，流道域(yu)尾部出(chu)現回流(liu)現象，但(dan)中間直(zhi)管端♊的(de)流場🤩依(yi)然平穩(wen).當入口(kou)速度😄增(zeng)加至5.0m/ｓ時(shi)（圖10、圖11），中(zhong)間直管(guan)段内速(su)度分布(bu)基本均(jun)勻，尾部(bu)回流♍消(xiao)失，流場(chang)整體平(ping)穩.

　　縮徑爲(wei)0.8離心率(lü)的橢圓(yuan)截面電(dian)磁流量(liang)計在初(chu)始流速(su)爲0.1m/ｓ與5.0m/ｓ條(tiao)♌件下均(jun)爲穩态(tai)流動，速(su)度分布(bu)對稱，直(zhi)管内流(liu)‼️場平穩(wen)，那麽該(gai)💚結構導(dao)流筒的(de)電磁流(liu)量計在(zai)大小流(liu)速條件(jian)💔下的使(shi)用均是(shi)可行的(de).
4.2離心率(lü)爲0.916
　　半長(zhang)軸長35mm，半(ban)短軸長(zhang)14mm，短長半(ban)軸之比(bi)2/5，離心率(lü)0.916.分别設(she)置入口(kou)速度🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在(zai)0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的條件(jian)下通過(guo)Fluent進行模(mo)拟仿真(zhen)，設置計(ji)算叠代(dai)步數爲(wei)1000，過程中(zhong)各點的(de)速度值(zhi)随時間(jian)産🙇🏻生無(wu)規律變(bian)化，無法(fa)收🐕斂.圖(tu)11至圖14爲(wei)步數等(deng)于1000時瞬(shun)時結果(guo)的⚽抓取(qu).

　　由圖12、圖(tu)13可知，當(dang)入口速(su)度爲0.1m/ｓ時(shi)，導流筒(tong)内速度(du)分布無(wu)明顯規(gui)律，存在(zai)較大的(de)流場畸(ji)變.因爲(wei)導流筒(tong)兩側産(chan)生的感(gan)應電動(dong)勢與流(liu)速成正(zheng)比，且流(liu)量計是(shi)根據流(liu)速值計(ji)㊙️算出一(yi)定時間(jian)内通過(guo)㊙️管道的(de)體積💋流(liu)量，所以(yi)在非穩(wen)态流場(chang)條件下(xia)流量計(ji)檢測到(dao)的是大(da)小搖擺(bai)不定的(de)感應電(dian)動勢，爲(wei)體積流(liu)量的計(ji)💚算造成(cheng)許多不(bu)确定因(yin)素，還降(jiang)低了計(ji)量精度(du).
　　設置流(liu)入速度(du)爲5.0m/ｓ，計算(suan)過程中(zhong)第117步收(shou)斂，流場(chang)可視爲(wei)達到穩(wen)定狀态(tai).如圖14、圖(tu)15所示，流(liu)場分布(bu)平穩，中(zhong)間直管(guan)㊙️段内速(su)度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼場分(fen)布基本(ben)均勻，與(yu)其它結(jie)構導流(liu)筒在該(gai)速度下(xia)的分布(bu)無明顯(xian)區别.綜(zong)合圖12至(zhi)圖15可知(zhi)，截面離(li)🙇‍♀️心率變(bian)爲0.916時的(de)導流筒(tong)在入口(kou)速度增(zeng)大🧑🏾‍🤝‍🧑🏼到一(yi)定值後(hou)，流場穩(wen)定.

5不同(tong)結構導(dao)流筒所(suo)适應的(de)速度區(qu)間
　　在完(wan)成不同(tong)結構導(dao)流筒在(zai)小流速(su)與大流(liu)速情況(kuang)⛹🏻‍♀️下的仿(pang)❄️真之後(hou)，對入口(kou)流速分(fen)别爲0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的(de)條件下(xia)進行模(mo)拟計算(suan).以流場(chang)速度分(fen)👅布爲判(pan)據，得出(chu)了不同(tong)結構橢(tuo)圓管所(suo)适應的(de)速度區(qu)間.由表(biao)1可知：截(jie)面離心(xin)率爲0.600和(he)0.800的橢圓(yuan)形導流(liu)筒的速(su)度均适(shi)用于大(da)流速與(yu)小流速(su)，而截面(mian)離心率(lü)爲0.916的導(dao)流筒卻(que)不适用(yong)于小流(liu)量的條(tiao)件🔱，當該(gai)結構導(dao)流筒的(de)入口流(liu)速達到(dao)🏒0.8m/ｓ及以上(shang)時，内部(bu)流♊場分(fen)布才被(bei)接受💋.雖(sui)橢圓變(bian)扁，磁路(lu)🔴長度平(ping)均值Ｌ減(jian)小，緻使(shi)所需勵(li)磁電流(liu)⛱️Ｉ減小，降(jiang)低了設(she)備功耗(hao)，但縮徑(jing)量💰過大(da)會犧牲(sheng)測速量(liang)程📞，導緻(zhi)量程下(xia)限升高(gao)，小流量(liang)的狀态(tai)下不再(zai)适用.

6結(jie)論
本文(wen)針對局(ju)部變爲(wei)橢圓形(xing)截面的(de)異徑導(dao)流筒進(jin)行了模(mo)拟仿真(zhen)計算.得(de)出結論(lun)如下：
1）減(jian)小磁路(lu)長度平(ping)均值Ｌ，在(zai)産生同(tong)等磁感(gan)應強度(du)Ｂ的🐇條💁件(jian)下，可減(jian)小勵磁(ci)線圈的(de)電流Ｉ，從(cong)而提升(sheng)流量計(ji)的靈敏(min)度，降低(di)功耗🈲.
2）當(dang)橢圓離(li)心率增(zeng)大到一(yi)定值時(shi)，尾部漸(jian)擴管便(bian)會出現(xian)📐明顯的(de)回流現(xian)象，緻使(shi)流量計(ji)量程下(xia)限升高(gao)，不再适(shi)用于低(di)🌈速計量(liang).
3）入口速(su)度對管(guan)内速度(du)場的影(ying)響頗爲(wei)重要，大(da)流速在(zai)導流筒(tong)各部位(wei)的流場(chang)較平穩(wen)，小流速(su)則容易(yi)發生回(hui)流現象(xiang)，随着入(ru)口速度(du)降低，回(hui)流更顯(xian)著.
4）離心(xin)率爲0.8的(de)橢圓截(jie)面導流(liu)筒可最(zui)大條件(jian)下滿足(zu)縮徑和(he)流場要(yao)求，該尺(chi)寸适合(he)在流量(liang)計中使(shi)用.

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