摘(zhai)要：文中插入式電(diàn)磁流量計 在非對(dui)稱溉場中的用問(wen)題。通過GAMBIT前處理軟(ruan)件建立管道及流(liu)量計的物理模型(xing)，并利用FLUENT進行管道(dào)内水動的仿真計(ji)算。選取等值面觀(guan)察管道内溉體的(de)速度、壓力等物理(lǐ)量的雲圖，失量圖(tu)等可視化圖像。通(tōng)過圖像分析得出(chu)結論，直管道部分(fen)的場分布均勻，而(ér)管道轉彎處的場(chǎng)由于壓力的作用(yong)，産生了非對稱場(chang)。靠近彎管道内徑(jing)的水産生了高速(su)場，明顯高于外徑(jìng)的水速度。因此要(yào)在彎管部分進行(hang)多點測量，以修正(zheng)流量計在非對稱(cheng)流場中的測量準(zhun)度。
　　随着近些年來(lái)我國流量測量水(shui)平的發展，越來越(yue)多種類的流量計(jì)廣泛應用于各種(zhǒng)行業。其中，作爲電(dian)磁流量計中一個(ge)種類的插入式電(diàn)磁流量計，由于其(qi)自身結構的輕巧(qiao)，安裝拆卸便捷，相(xiang)比制造費用較高(gao)，安拆與維修都很(hen)不便的普通電磁(cí)流量計而言具有(you)非常大的優勢，從(cóng)而廣泛應用于現(xian)在的機械工業大(da)口徑管道的流量(liang)檢測中。在國際上(shang)，由于目前能源與(yǔ)環保計量方面的(de)需求越來越大，如(rú)機械、化學工業污(wu)水流量的測量等(deng)，各國家發展插入(rù)式流量計已經成(cheng)爲一種趨勢。
　　我國(guo)的插入式電磁流(liú)量計的研究還在(zài)上升；對于測量精(jīng)度的提高和實物(wù)的改進還有着很(hěn)大的提升空間，尤(yóu)其是在管道排布(bu)複雜、彎管多、角度(dù)大的工業現場，即(ji)在非對稱流場下(xia)的應用還需做深(shen)入探讨。
１插入式電(dian)磁流量計的工作(zuò)原理
　　與普通的 電(diàn)磁流量計 原理相(xiang)同，插入式電磁流(liú)量計的測量原理(li)同樣是基宇法拉(lā)第電磁感虛定律(lǜ)。通過對目标流場(chang)内某一點流速的(de)測，經過一系列計(ji)算推導後，得出整(zhěng)個目标流場的平(píng)均流速。所以說插(chā)入式電磁流量計(ji)是一種點流速的(de)了流量計。
　　以管道(dao)流速測量爲例，測(cè)量流場時，将流量(liang)計以平行Ｚ軸，垂直(zhí)于XOY面方向插人管(guan)遒内部，感應電極(ji)位位于流量計尾(wěi)端兩側，與水流方(fang)向保持垂直，且同(tong)屬XOY面。水流流經流(liu)量計時，做切割磁(ci)感線運動，由法拉(la)第電磁感應定律(lǜ)可知，磁場中會産(chǎn)生電動勢E=BD`n表示管(guǎn)道橫截面平均流(liú)速。
流量Q=`n A,其中，A表示(shi)管道的橫截面積(ji)，爲定值常數，進行(háng)如下推倒後得：

　　可(ke)知感應電．動勢E和(he)流量Q是線性關系(xi)，與流場内其他變(bian)化的物埋無關。即(jí)可以通過流量計(ji)對電信号的捕捉(zhuo)來實現對流場流(liu)量的檢測。
2 數值計(ji)算方法
FLUEST軟件主要(yao)包括前處理器GAMBIT和(hé)後赴理器FLUEST兩部分(fèn)，二者相輔相成，缺(quē)一不可。
２．１前處理GAMBIT建(jiàn)模
　　仿真計算前，首(shǒu)先進行仿真的前(qian)處理，即運用 GAMBIT幾何(he)建模，之後對所建(jian)模進行網格的劃(huà)分和生成，誰知完(wán)邊界條件後輸出(chu)mesh文件。把mesh文件導入(ru)到FLUENT中進行流體仿(pang)真計算。
2.2後處理FLUENT仿(pang)真計算
　　求解計算(suan)有以下幾個步驟(zhou)：檢查導入模型的(de)網格，選擇計算模(mó)定義流體材料性(xing)質，設置邊界條件(jian)，求解方法及其控(kong)制，叠代計算，檢查(chá)保存并分析仿真(zhen)結果。??
３數值模掀仿(pang)真與結果分析
3.1對(dui)稱流場直管道中(zhong)的仿真模拟
3.1.1圓管(guan)流動仿真
　　首先在(zai)GAMBIT中簡曆半徑0.1m，長度(du)4m的長直圓管物理(li)模型采用六面體(tǐ)網格劃分管道模(mo)型，如圖1所示。
定義(yì)邊界條件後輸出(chū)mesh文件，啓動FLUENT仿真計(ji)算。
　　叠代計算後，查(chá)看結果，通過圖1可(ke)以看出圓管内的(de)速度值程同心圓(yuán)分布，越靠近中心(xin)處速度越大，在靠(kào)近管壁的區域，速(su)度幾乎爲零。管道(dao)内的流速穩定正(zhèng)常。

3.1.2插入式電(dian)磁流量計後的圓(yuan)管流動仿真
　　管道(dào)模型依然選取半(ban)徑0.1m，長4m的圓管， 流量(liang)計 算模型爲半徑(jing)2cm的圓柱體。跟管道(dao)和流量計相比，電(diàn)極很小，對流場造(zao)成影響可以忽略(luè)不計，因此在建模(mo)時可以忽略電極(ji)，簡化幾何結構。流(liú)量計起阻擋水流(liu)作用。管道及流量(liàng)計建立模型圖如(ru)圖2所示。

　　運用(yòng)GAMBIT建模劃分網格，其(qí)中在體網格的劃(hua)分上Element選擇Hex，Type選擇Cooper。管(guǎn)道模型最終劃分(fèn)成的網格如圖3所(suǒ)示。定義水流的入(rù)口及出口，流量計(jì)模型位于左側水(shui)流入口處1m位置。導(dǎo)入FLUENT求解計算。定義(yi)求解器定水的流(liú)速設置爲1m/s。叠代計(ji)算後，輸出結果圖(tu)組。

　　由于(yú)三維模型的計算(suan)結果不方便查看(kàn)，所以通過創建電(diàn)極所在的等值面(mian)來觀察電極所在(zài)區域周圍的流場(chǎng)，選取Z=0.06m平面來輸出(chu)壓力和速度等值(zhi)線及雲圖。選擇速(sù)度雲圖放大觀察(chá)，如圖4所示。

　　根據選取面放大(da)後的速度雲圖觀(guan)察可以看出，水流(liu)流經流量計的時(shí)候，兩側的電極周(zhōu)圍的流場受圓柱(zhù)繞流影響，産生了(le)高速流場，水流無(wu)法很好地貼合流(liú)量計後半段壁面(miàn)流動，緻使流速減(jian)小，邊界層出現分(fen)離，産生尾渦流區(qū)。尾渦區在一定程(cheng)度上破壞了周圍(wei)流場的穩定性。
　　由(you)于傳統型插入式(shi)電磁流量計的自(zi)身形狀不可避免(mian)的會對所測流場(chang)産生一定幹擾，因(yīn)此需要采用機械(xie)工藝方面的設計(jì)對其自身物理結(jié)構進行改良。
3.2非對(dui)稱流場彎管道中(zhong)的仿真模拟
3.2.1非對(dui)稱流場彎管道中(zhong)水流動的模拟
　　根(gen)據之前直菅水流(liu)場的模拟可知，在(zai)直管中水流是均(jun1)勻穩定的。而管道(dào)相互連接的彎管(guǎn)部分其内部的流(liu)動會引起很大的(de)壓力降，對流體流(liú)經轉彎處後的速(su)度也會有一定的(de)影響。
　　保持直管部(bù)分與之前的尺寸(cùn)不變，彎管處采用(yong)半徑4倍管徑即0.4m的(de)90°彎管。簡曆物理模(mó)型，如圖5所示，劃分(fèn)網格，設定邊界條(tiáo)件後求解。

　　叠(die)代計算後，觀察輸(shū)出的速度雲圖和(he)壓力雲圖，如圖6和(hé)圖7所示。可以看出(chu)彎管處出現了壓(yā)力降，内徑速度明(ming)顯大于外徑。再通(tōng)過放大的速度矢(shi)量圖可以看出，轉(zhuan)彎處的内徑高速(su)水流沿外徑流出(chū)，并且速度下降逐(zhu)漸恢複轉彎錢的(de)速度，出彎後的内(nèi)徑部分幾乎無流(liú)速，經過一定管長(zhǎng)後恢複勻速。

所以(yǐ)說彎管部分的流(liú)場是不均勻的，是(shì)非對稱流場。
3.2.2插入(ru)式電磁流量計後(hou)的彎管流動仿真(zhēn)
　　在多數現場環境(jìng)下，長直管較少，短(duan)直管居多，然而接(jiē)近彎管處的流體(ti)分布是不對稱拟(nǐ)合流場，這與對稱(cheng)流場下的多點流(liú)速洩露及數據分(fèn)析會有較大出入(ru)，因此在彎管部分(fen)的檢測要重新選(xuan)取不同的點進行(hang)檢測。
　　保留上一小(xiǎo)節中彎管道物理(lǐ)模型不變，以水流(liú)流向作參考，在靠(kao)近彎管入口和出(chū)口0.1m處分别插入流(liu)量計模型，進行多(duō)次測量，除了流量(liang)計插入位置其餘(yú)物理量保持不變(bian)。
　　劃分網格，網格類(lei)型選擇六面體Hex,劃(hua)分方法設置爲Cooper即(ji)把整個模型體依(yi)據2指定的源面來(lái)劃分，設置網格步(bu)長Space爲3.設定邊界條(tiao)件，管道入口選擇(zé)VEOCITY，水流速設定爲1m/s，出(chū)口選擇OUTFLOW，其餘各邊(bian)默認爲壁面WALL。輸出(chū)網格，導入FLUENT求解器(qi)進行求解。
　　由于現(xian)場實際情況中，工(gong)業管道會按照現(xiàn)場需要進行安置(zhì)排布，即橫向豎向(xiang)多角度轉彎，管内(nei)流體是湍流流動(dòng)，流場基本上是不(bú)定常的，因此在定(dìng)義求解器時，要用(yong)非穩态的求解器(qì)進行模拟計算，即(jí)在Time選項中選擇非(fei)定常Unsteady。其他計算模(mo)型設定，管内湍流(liú)模型分布方程的(de)離散模式設定爲(wèi)k-epsilon即二階迎風差分(fèn)格式，并采用SIMPLEC算法(fa)進行修正。然後定(ding)義管道内的流體(ti)材料，本次仿真實(shí)驗使用液态水爲(wèi)管道内的流體。在(zai)材料下拉列表中(zhōng)選擇，water-liquid（h20<1>）邊界條件，inlet入(rù)口邊界條件定義(yì)水流速爲1m/s。湍流強(qiang)度Turbulent Intensity和水力直徑Hydraulic Diameter選(xuan)項分别輸入5和0.04。
設(shè)置求解參數，初始(shi)化及殘差圖後，保(bao)存文件進行叠代(dai)計算。
　　叠代計算後(hou)，殘差圖均呈收斂(liǎn)狀态。選擇Z=0.06m平面分(fèn)别觀察速度及壓(yā)力雲圖。流量計在(zai)靠近彎管入口處(chù)0.1m的輸出結果如圖(tu)8和9所示。

　　可以看出(chū)轉彎處依舊出現(xiàn)壓力降，由于壓力(lì)的作用，在水流在(zài)内徑的速度大于(yu)外徑，流量計兩側(ce)産生告訴流場，兩(liǎng)側電極可以檢測(ce)到明顯的信号，但(dàn)由于内外徑流速(sù)的不同，兩電極所(suǒ)檢測的信号有一(yī)定量差，流量計尾(wěi)部速度幾乎爲零(ling)。
再觀察流量計在(zài)靠近彎管出口處(chù)0.1m的輸出結果組圖(tú)，如如10、圖11所示。


　　流量(liang)計的尾渦區對水(shuǐ)流出彎後的直管(guǎn)部分流場有一定(ding)的影響，流量計電(dian)極兩側所檢測到(dao)的信号由于彎管(guan)處壓力降的作用(yong)存在量差，并且速(su)度要略大于入口(kǒu)處。
　　經過以上對比(bi)實驗證明，需要在(zai)彎道入口及出口(kou)部分選取垂直與(yu)XOY面不同深度的點(diǎn)來進行測量，從而(er)得到流量計在非(fei)對稱條件下測速(sù)的理想修正函數(shù)。
4結論
（1）通過多次實(shi)驗，分析仿真結果(guo)，對物理模型網格(ge)的劃分精度及參(can)數的調整校正，最(zui)終使殘差圖呈現(xiàn)收斂狀态。通過對(duì)輸出圖組的觀察(chá)分析，基本準備模(mo)拟出管道中的流(liu)場分布，同事得出(chu)插入式電磁流量(liàng)計對流場分布影(ying)響。
（2）由于工業現場(chang)幻想彎管道居多(duō)而長直管較少，因(yin)此在實際測量時(shí)考慮到非對稱流(liu)場對流量計測量(liàng)精度影響，需要在(zai)靠近彎道的不同(tong)點進行測量以修(xiū)正測量結果，保證(zhèng)精度。
（3）由于圓柱型(xíng)的流量計的尾流(liú)對所測流場穩定(dìng)性有一定影響，可(ke)以通過機械工藝(yi)加工對流量計的(de)外形進行改良，盡(jin)可能減少尾流，保(bao)證流場的穩定性(xìng)。

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