摘(zhai)要：文中插(cha)入式電磁(ci)流量計 在(zai)非對稱溉(gai)場中的用(yong)問題。通過(guo)GAMBIT前處理軟(ruan)件建立管(guan)道及流量(liang)計的物理(li)模型，并利(li)用FLUENT進行管(guan)道内水動(dong)的仿真計(ji)算。選取等(deng)值面觀察(cha)管道内溉(gai)體的速度(du)、壓力等物(wu)理量的雲(yun)圖，失量圖(tu)等可視化(hua)圖像。通過(guo)圖像分析(xi)得出結論(lun)，直管道部(bu)分的場分(fen)布均勻，而(er)管道轉彎(wan)處的場由(you)于壓力的(de)作用，産生(sheng)了非對稱(cheng)場。靠近彎(wan)管道内徑(jing)的水産生(sheng)了高速場(chang)，明顯高于(yu)外徑的水(shui)速度。因此(ci)要在彎管(guan)部分進行(hang)多點測量(liang)，以修正流(liu)量計在非(fei)對稱流場(chang)中的測量(liang)準度。
　　随着(zhe)近些年來(lai)我國流量(liang)測量水平(ping)的發展，越(yue)來越多種(zhong)類的流量(liang)計廣泛應(ying)用于各種(zhong)行業。其中(zhong)，作爲電磁(ci)流量計中(zhong)一個種類(lei)的插入式(shi)電磁流量(liang)計，由于其(qi)自身結構(gou)的輕巧，安(an)裝拆卸便(bian)捷，相比制(zhi)造費用較(jiao)高，安拆與(yu)維修都很(hen)不便的普(pu)通電磁流(liu)量計而言(yan)具有非常(chang)大的優勢(shi)，從而廣泛(fan)應用于現(xian)在的機械(xie)工業大口(kou)徑管道的(de)流量檢測(ce)中。在國際(ji)上，由于目(mu)前能源與(yu)環保計量(liang)方面的需(xu)求越來越(yue)大，如機械(xie)、化學工業(ye)污水流量(liang)的測量等(deng)，各國家發(fa)展插入式(shi)流量計已(yi)經成爲一(yi)種趨勢。
　　我(wo)國的插入(ru)式電磁流(liu)量計的研(yan)究還在上(shang)升；對于測(ce)量精度的(de)提高和實(shi)物的改進(jin)還有着很(hen)大的提升(sheng)空間，尤其(qi)是在管道(dao)排布複雜(za)、彎管多、角(jiao)度大的工(gong)業現場，即(ji)在非對稱(cheng)流場下的(de)應用還需(xu)做深入探(tan)讨。
１插入式(shi)電磁流量(liang)計的工作(zuo)原理
　　與普(pu)通的 電磁(ci)流量計 原(yuan)理相同，插(cha)入式電磁(ci)流量計的(de)測量原理(li)同樣是基(ji)宇法拉第(di)電磁感虛(xu)定律。通過(guo)對目标流(liu)場内某一(yi)點流速的(de)測，經過一(yi)系列計算(suan)推導後，得(de)出整個目(mu)标流場的(de)平均流速(su)。所以說插(cha)入式電磁(ci)流量計是(shi)一種點流(liu)速的了流(liu)量計。
　　以管(guan)道流速測(ce)量爲例，測(ce)量流場時(shi)，将流量計(ji)以平行Ｚ軸(zhou)，垂直于XOY面(mian)方向插人(ren)管遒内部(bu)，感應電極(ji)位位于流(liu)量計尾端(duan)兩側，與水(shui)流方向保(bao)持垂直，且(qie)同屬XOY面。水(shui)流流經流(liu)量計時，做(zuo)切割磁感(gan)線運動，由(you)法拉第電(dian)磁感應定(ding)律可知，磁(ci)場中會産(chan)生電動勢(shi)E=BD`n表示管道(dao)橫截面平(ping)均流速。
流(liu)量Q=`n A,其中，A表(biao)示管道的(de)橫截面積(ji)，爲定值常(chang)數，進行如(ru)下推倒後(hou)得：

　　可知感(gan)應電．動勢(shi)E和流量Q是(shi)線性關系(xi)，與流場内(nei)其他變化(hua)的物埋無(wu)關。即可以(yi)通過流量(liang)計對電信(xin)号的捕捉(zhuo)來實現對(dui)流場流量(liang)的檢測。
2 數(shu)值計算方(fang)法
FLUEST軟件主(zhu)要包括前(qian)處理器GAMBIT和(he)後赴理器(qi)FLUEST兩部分，二(er)者相輔相(xiang)成，缺一不(bu)可。
２．１前處理(li)GAMBIT建模
　　仿真(zhen)計算前，首(shou)先進行仿(pang)真的前處(chu)理，即運用(yong) GAMBIT幾何建模(mo)，之後對所(suo)建模進行(hang)網格的劃(hua)分和生成(cheng)，誰知完邊(bian)界條件後(hou)輸出mesh文件(jian)。把mesh文件導(dao)入到FLUENT中進(jin)行流體仿(pang)真計算。
2.2後(hou)處理FLUENT仿真(zhen)計算
　　求解(jie)計算有以(yi)下幾個步(bu)驟：檢查導(dao)入模型的(de)網格，選擇(ze)計算模定(ding)義流體材(cai)料性質，設(she)置邊界條(tiao)件，求解方(fang)法及其控(kong)制，叠代計(ji)算，檢查保(bao)存并分析(xi)仿真結果(guo)。??
３數值模掀(xian)仿真與結(jie)果分析
3.1對(dui)稱流場直(zhi)管道中的(de)仿真模拟(ni)
3.1.1圓管流動(dong)仿真
　　首先(xian)在GAMBIT中簡曆(li)半徑0.1m，長度(du)4m的長直圓(yuan)管物理模(mo)型采用六(liu)面體網格(ge)劃分管道(dao)模型，如圖(tu)1所示。
定義(yi)邊界條件(jian)後輸出mesh文(wen)件，啓動FLUENT仿(pang)真計算。
　　叠(die)代計算後(hou)，查看結果(guo)，通過圖1可(ke)以看出圓(yuan)管内的速(su)度值程同(tong)心圓分布(bu)，越靠近中(zhong)心處速度(du)越大，在靠(kao)近管壁的(de)區域，速度(du)幾乎爲零(ling)。管道内的(de)流速穩定(ding)正常。

3.1.2插入(ru)式電磁流(liu)量計後的(de)圓管流動(dong)仿真
　　管道(dao)模型依然(ran)選取半徑(jing)0.1m，長4m的圓管(guan)， 流量計 算(suan)模型爲半(ban)徑2cm的圓柱(zhu)體。跟管道(dao)和流量計(ji)相比，電極(ji)很小，對流(liu)場造成影(ying)響可以忽(hu)略不計，因(yin)此在建模(mo)時可以忽(hu)略電極，簡(jian)化幾何結(jie)構。流量計(ji)起阻擋水(shui)流作用。管(guan)道及流量(liang)計建立模(mo)型圖如圖(tu)2所示。

　　運用(yong)GAMBIT建模劃分(fen)網格，其中(zhong)在體網格(ge)的劃分上(shang)Element選擇Hex，Type選擇(ze)Cooper。管道模型(xing)最終劃分(fen)成的網格(ge)如圖3所示(shi)。定義水流(liu)的入口及(ji)出口，流量(liang)計模型位(wei)于左側水(shui)流入口處(chu)1m位置。導入(ru)FLUENT求解計算(suan)。定義求解(jie)器定水的(de)流速設置(zhi)爲1m/s。叠代計(ji)算後，輸出(chu)結果圖組(zu)。

　　由于(yu)三維模型(xing)的計算結(jie)果不方便(bian)查看，所以(yi)通過創建(jian)電極所在(zai)的等值面(mian)來觀察電(dian)極所在區(qu)域周圍的(de)流場，選取(qu)Z=0.06m平面來輸(shu)出壓力和(he)速度等值(zhi)線及雲圖(tu)。選擇速度(du)雲圖放大(da)觀察，如圖(tu)4所示。

　　根(gen)據選取面(mian)放大後的(de)速度雲圖(tu)觀察可以(yi)看出，水流(liu)流經流量(liang)計的時候(hou)，兩側的電(dian)極周圍的(de)流場受圓(yuan)柱繞流影(ying)響，産生了(le)高速流場(chang)，水流無法(fa)很好地貼(tie)合流量計(ji)後半段壁(bi)面流動，緻(zhi)使流速減(jian)小，邊界層(ceng)出現分離(li)，産生尾渦(wo)流區。尾渦(wo)區在一定(ding)程度上破(po)壞了周圍(wei)流場的穩(wen)定性。
　　由于(yu)傳統型插(cha)入式電磁(ci)流量計的(de)自身形狀(zhuang)不可避免(mian)的會對所(suo)測流場産(chan)生一定幹(gan)擾，因此需(xu)要采用機(ji)械工藝方(fang)面的設計(ji)對其自身(shen)物理結構(gou)進行改良(liang)。
3.2非對稱流(liu)場彎管道(dao)中的仿真(zhen)模拟
3.2.1非對(dui)稱流場彎(wan)管道中水(shui)流動的模(mo)拟
　　根據之(zhi)前直菅水(shui)流場的模(mo)拟可知，在(zai)直管中水(shui)流是均勻(yun)穩定的。而(er)管道相互(hu)連接的彎(wan)管部分其(qi)内部的流(liu)動會引起(qi)很大的壓(ya)力降，對流(liu)體流經轉(zhuan)彎處後的(de)速度也會(hui)有一定的(de)影響。
　　保持(chi)直管部分(fen)與之前的(de)尺寸不變(bian)，彎管處采(cai)用半徑4倍(bei)管徑即0.4m的(de)90°彎管。簡曆(li)物理模型(xing)，如圖5所示(shi)，劃分網格(ge)，設定邊界(jie)條件後求(qiu)解。

　　叠代計(ji)算後，觀察(cha)輸出的速(su)度雲圖和(he)壓力雲圖(tu)，如圖6和圖(tu)7所示。可以(yi)看出彎管(guan)處出現了(le)壓力降，内(nei)徑速度明(ming)顯大于外(wai)徑。再通過(guo)放大的速(su)度矢量圖(tu)可以看出(chu)，轉彎處的(de)内徑高速(su)水流沿外(wai)徑流出，并(bing)且速度下(xia)降逐漸恢(hui)複轉彎錢(qian)的速度，出(chu)彎後的内(nei)徑部分幾(ji)乎無流速(su)，經過一定(ding)管長後恢(hui)複勻速。

所(suo)以說彎管(guan)部分的流(liu)場是不均(jun)勻的，是非(fei)對稱流場(chang)。
3.2.2插入式電(dian)磁流量計(ji)後的彎管(guan)流動仿真(zhen)
　　在多數現(xian)場環境下(xia)，長直管較(jiao)少，短直管(guan)居多，然而(er)接近彎管(guan)處的流體(ti)分布是不(bu)對稱拟合(he)流場，這與(yu)對稱流場(chang)下的多點(dian)流速洩露(lu)及數據分(fen)析會有較(jiao)大出入，因(yin)此在彎管(guan)部分的檢(jian)測要重新(xin)選取不同(tong)的點進行(hang)檢測。
　　保留(liu)上一小節(jie)中彎管道(dao)物理模型(xing)不變，以水(shui)流流向作(zuo)參考，在靠(kao)近彎管入(ru)口和出口(kou)0.1m處分别插(cha)入流量計(ji)模型，進行(hang)多次測量(liang)，除了流量(liang)計插入位(wei)置其餘物(wu)理量保持(chi)不變。
　　劃分(fen)網格，網格(ge)類型選擇(ze)六面體Hex,劃(hua)分方法設(she)置爲Cooper即把(ba)整個模型(xing)體依據2指(zhi)定的源面(mian)來劃分，設(she)置網格步(bu)長Space爲3.設定(ding)邊界條件(jian)，管道入口(kou)選擇VEOCITY，水流(liu)速設定爲(wei)1m/s，出口選擇(ze)OUTFLOW，其餘各邊(bian)默認爲壁(bi)面WALL。輸出網(wang)格，導入FLUENT求(qiu)解器進行(hang)求解。
　　由于(yu)現場實際(ji)情況中，工(gong)業管道會(hui)按照現場(chang)需要進行(hang)安置排布(bu)，即橫向豎(shu)向多角度(du)轉彎，管内(nei)流體是湍(tuan)流流動，流(liu)場基本上(shang)是不定常(chang)的，因此在(zai)定義求解(jie)器時，要用(yong)非穩态的(de)求解器進(jin)行模拟計(ji)算，即在Time選(xuan)項中選擇(ze)非定常Unsteady。其(qi)他計算模(mo)型設定，管(guan)内湍流模(mo)型分布方(fang)程的離散(san)模式設定(ding)爲k-epsilon即二階(jie)迎風差分(fen)格式，并采(cai)用SIMPLEC算法進(jin)行修正。然(ran)後定義管(guan)道内的流(liu)體材料，本(ben)次仿真實(shi)驗使用液(ye)态水爲管(guan)道内的流(liu)體。在材料(liao)下拉列表(biao)中選擇，water-liquid（h20<1>）邊(bian)界條件，inlet入(ru)口邊界條(tiao)件定義水(shui)流速爲1m/s。湍(tuan)流強度Turbulent Intensity和(he)水力直徑(jing)Hydraulic Diameter選項分别(bie)輸入5和0.04。
設(she)置求解參(can)數，初始化(hua)及殘差圖(tu)後，保存文(wen)件進行叠(die)代計算。
　　叠(die)代計算後(hou)，殘差圖均(jun)呈收斂狀(zhuang)态。選擇Z=0.06m平(ping)面分别觀(guan)察速度及(ji)壓力雲圖(tu)。流量計在(zai)靠近彎管(guan)入口處0.1m的(de)輸出結果(guo)如圖8和9所(suo)示。

　　可以看(kan)出轉彎處(chu)依舊出現(xian)壓力降，由(you)于壓力的(de)作用，在水(shui)流在内徑(jing)的速度大(da)于外徑，流(liu)量計兩側(ce)産生告訴(su)流場，兩側(ce)電極可以(yi)檢測到明(ming)顯的信号(hao)，但由于内(nei)外徑流速(su)的不同，兩(liang)電極所檢(jian)測的信号(hao)有一定量(liang)差，流量計(ji)尾部速度(du)幾乎爲零(ling)。
再觀察流(liu)量計在靠(kao)近彎管出(chu)口處0.1m的輸(shu)出結果組(zu)圖，如如10、圖(tu)11所示。


　　流量(liang)計的尾渦(wo)區對水流(liu)出彎後的(de)直管部分(fen)流場有一(yi)定的影響(xiang)，流量計電(dian)極兩側所(suo)檢測到的(de)信号由于(yu)彎管處壓(ya)力降的作(zuo)用存在量(liang)差，并且速(su)度要略大(da)于入口處(chu)。
　　經過以上(shang)對比實驗(yan)證明，需要(yao)在彎道入(ru)口及出口(kou)部分選取(qu)垂直與XOY面(mian)不同深度(du)的點來進(jin)行測量，從(cong)而得到流(liu)量計在非(fei)對稱條件(jian)下測速的(de)理想修正(zheng)函數。
4結論(lun)
（1）通過多次(ci)實驗，分析(xi)仿真結果(guo)，對物理模(mo)型網格的(de)劃分精度(du)及參數的(de)調整校正(zheng)，最終使殘(can)差圖呈現(xian)收斂狀态(tai)。通過對輸(shu)出圖組的(de)觀察分析(xi)，基本準備(bei)模拟出管(guan)道中的流(liu)場分布，同(tong)事得出插(cha)入式電磁(ci)流量計對(dui)流場分布(bu)影響。
（2）由于(yu)工業現場(chang)幻想彎管(guan)道居多而(er)長直管較(jiao)少，因此在(zai)實際測量(liang)時考慮到(dao)非對稱流(liu)場對流量(liang)計測量精(jing)度影響，需(xu)要在靠近(jin)彎道的不(bu)同點進行(hang)測量以修(xiu)正測量結(jie)果，保證精(jing)度。
（3）由于圓(yuan)柱型的流(liu)量計的尾(wei)流對所測(ce)流場穩定(ding)性有一定(ding)影響，可以(yi)通過機械(xie)工藝加工(gong)對流量計(ji)的外形進(jin)行改良，盡(jin)可能減少(shao)尾流，保證(zheng)流場的穩(wen)定性。

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