【摘要】通過(guo)ICEMCFD軟件将局(ju)部截面變(biàn)爲橢圓形(xing)的異徑導(dǎo)流💁筒進行(hang)了三維建(jian)模，使用Fluent對(dui)不同入口(kou)速度下的(de)流線🍉場與(yu)速度分布(bù)進行仿真(zhēn)計算，建立(lì)了不同結(jié)構的導流(liu)筒所适用(yong)的速度範(fan)圍.結果表(biao)明，速度的(de)大小和橢(tuǒ)圓截面離(li)心率對流(liú)場産生的(de)影響較大(dà)💋.當速度減(jian)小🚶‍♀️或離心(xin)率變大時(shi)，導流筒尾(wei)部漸擴管(guǎn)容易發生(sheng)回流，緻使(shǐ)流場紊亂(luàn).本研究能(néng)爲橢圓形(xing)管道電磁(ci)流量計的(de)結構設計(jì)提供參考(kǎo)方案，爲設(she)計合理的(de)導流筒提(tí)供理論依(yī)據.
　　電磁流(liu)量計 是工(gong)業過程中(zhong)用于計量(liàng)導電性流(liu)體體積流(liu)量的🐪儀表(biǎo)［1］，當前國内(nei)使用大多(duō)電磁流量(liang)計爲圓形(xing)截面導流(liú)筒.然而，電(dian)磁流量計(jì)對被測管(guan)道内的流(liu)場有⁉️一定(dìng)的要求，流(liu)⭐場的不穩(wěn)定會使得(dé)流量計示(shi)值不穩定(ding)，緻使🈲測量(liang)誤差加大(da)［2－3］.爲了解決(jue)這些問題(ti)，本文提出(chū)橢圓形截(jié)面管道設(she)計方案.
　　針(zhēn)對橫截面(mian)爲不同離(lí)心率橢圓(yuán)形的導流(liu)筒，對在不(bu)同入口速(su)度下流場(chang)的流動性(xing)與速度分(fèn)布進行Fluent仿(pang)真，欲爲合(he)理的導流(liu)筒提供理(li)論依據.
1異(yi)徑管結構(gou)的電磁理(li)論分析
　　電(diàn)磁流量計(ji)是基于法(fa)拉第電磁(cí)感應定律(lü)而開發的(de)計量儀✌️表(biao)［8］.通電後的(de)勵磁線圈(quān)在導流筒(tǒng)垂直方位(wei)産生磁感(gǎn)應強度爲(wei)Ｂ的工作磁(cí)場，待導電(diàn)流體穿♋過(guo)時，在液體(tǐ)兩側産生(shēng)感應電動(dòng)勢Ｅ，通過對(dui)相應的電(diàn)動勢進行(hang)信号處理(li)而實現體(tǐ)積流量👌的(de)準确測量(liàng).感應電動(dòng)勢大小爲(wèi)
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
　　式（1）中：Ｂ爲工(gōng)作磁場中(zhong)的磁感應(ying)強度；Ｖ爲導(dao)電液體流(liu)速；Ｄ爲🔴測量(liàng)⁉️導📞管内徑(jing).
　　導電流體(ti)的速度Ｖ與(yu)工作磁場(chǎng)内的磁感(gan)應強度Ｂ都(dou)是有方向(xiang)性的矢量(liàng)，但各質點(dian)的速度爲(wèi)非均勻分(fèn)布，當流體(ti)的流速很(hěn)小時，會産(chǎn)生很小感(gan)應電動勢(shi)㊙️，與噪音混(hun)合後使得(de)測⭕量誤差(chà)增大，從而(er)影響到設(shè)備的穩定(ding)性和可靠(kào)性.其中Ｅ的(de)數值由電(dian)極測量，單(dān)位時間内(nèi)管🐉道流量(liang)計算公式(shi)爲

　　在電磁(ci)流量計的(de)勵磁線圈(quān)中，電流爲(wèi)Ｉ，匝數爲Ｎ，穿(chuan)過工作區(qū)域的磁路(lu)長度均值(zhi)爲Ｌ，可得磁(cí)阻Ｒm與磁通(tōng)勢Ｆ爲

　　式中(zhōng)Ｓ爲磁路的(de)平均面積(ji)，μ爲介質磁(ci)導率.由磁(ci)場歐姆定(dìng)律［9］可♊得🤞磁(cí)通量f

　　由（6）式(shi)可知，磁感(gan)應強度Ｂ與(yu)磁路長度(dù)平均值Ｌ成(chéng)反比，與通(tong)過勵磁線(xiàn)圈的電流(liu)Ｉ成正比.相(xiàng)比起均勻(yún)的圓形管(guan)道，橢圓導(dǎo)流筒♻️内的(de)👄工作磁場(chǎng)縮小了Ｌ值(zhi)，在産🌈生同(tong)等磁感應(yīng)強度Ｂ的條(tiao)件下，勵磁(cí)線圈中的(de)電流将小(xiao)于前者，從(cóng)而可降低(dī)電磁流量(liàng)計的功耗(hao).
2Fluent模型建立(li)與參數設(shè)置
　　使用ICEMCFD建(jiàn)立橢圓截(jié)面導流筒(tong)的模型.導(dao)流筒的中(zhōng)間部分爲(wèi)橢圓管，兩(liang)側均爲橢(tuo)圓形漸變(biàn)爲圓形的(de)漸♍擴管🏃.導(dao)流😄筒半⭐長(zhang)軸與Ｘ軸平(píng)行，長度35mm，半(ban)短軸與Ｙ軸(zhóu)平行，長度(dù)👅28mm，短長半軸(zhou)之比爲4/5，橢(tuǒ)圓離心率(lǜ)爲0.60，長88mm.兩端(duan)漸擴管最(zuì)外側圓形(xíng)的半徑爲(wèi)50mm，各長81mm.導流(liú)筒總長250mm.該(gāi)模型的對(dui)象爲在中(zhong)間直管段(duan)具有均勻(yún)磁場分布(bù)的橢圓截(jié)面管道的(de)電磁流量(liàng)計将導流(liú)筒兩端🌂分(fèn)别😘定義爲(wèi)出🏃‍♂️口與出(chū)口.流體在(zai)入口邊界(jiè)以固定速(su)度垂直與(yu)入口邊界(jiè)流入，在出(chu)口邊界自(zì)由✂️流出，忽(hu)略重力.定(dìng)義其他區(qu)域爲壁面(mian)，最後以四(sì)面體結構(gòu)對模型進(jìn)行網格劃(hua)💃分，如圖1所(suo)示.單元格(ge)數🔴量爲204萬(wàn)，網格質量(liàng)評價系數(shu)爲：0.65～0.70（2.5%）；0.70～0.90（8.6%）；0.90～1.0（86.2%）.該三🔞維(wéi)模型網格(ge)質量能夠(gòu)滿足精📧度(dù)和收斂要(yao)求.文中其(qí)它結構的(de)三維模型(xing)網格，其類(lei)型🈚與上述(shu)一緻，網格(gé)質量基本(běn)相同.

　　設(shè)置模型爲(wèi)ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模型(xing)［10］，模拟對象(xiang)爲液體水(shui)，仿真将🐉以(yǐ)入口流速(sù)分别爲小(xiao)流速0.1m/ｓ、0.3m/ｓ與大(da)流速5.0m/ｓ的條(tiáo)件下進行(háng).
3速度場仿(páng)真結果分(fèn)析
　　以不同(tong)進口速度(dù)對該結構(gou)導流筒進(jin)行流場仿(pang)真，求解🈲後(hou)使用軟件(jian)提取數據(ju).由于磁場(chǎng)方向平行(háng)于Ｙ軸，故圖(tú)2至圖15是在(zài)選👣取了❄️與(yǔ)Ｙ軸垂直的(de)ＸＯＺ坐标平面(miàn)，并觀察速(sù)度雲與流(liú)線分布圖(tú)，計算結果(guo)如下.
3.1小流(liú)速下的仿(pang)真分析
　　取(qǔ)流入速度(dù)爲0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設置仿(pang)真計算的(de)叠代步數(shu)爲300，過程中(zhōng)分别在第(di)211步、第186步時(shi)計算結果(guo)收斂，流量(liang)計流道區(qu)域内可視(shì)爲穩态的(de)定常流動(dòng).管内速度(du)雲圖如✉️圖(tu)2、圖3，流線圖(tú)如圖4、圖5.


　　由圖2、圖(tú)3可知，在進(jin)口速度爲(wei)0.1m/ｓ與0.3m/ｓ條件下(xià)，速度雲圖(tú)無明🏃‍♀️顯差(chà)别，平面直(zhi)管段的速(sù)度分布的(de)上下對稱(chēng)性較高，靠(kao)管壁速📐度(du)小，中間大(da)，出口流體(ti)向兩側流(liú)動❤️，中間區(qū)流速小.

　　如圖4、圖(tu)5，當入口速(sù)度爲0.1m/ｓ時，末(mo)端發生回(hui)流現象，但(dàn)中間直管(guǎn)段流🛀🏻場平(ping)穩，沒有受(shou)到尾部回(hui)流影響.當(dāng)初始速度(dù)增加爲0.3m/ｓ時(shí)尾部的回(huí)流減弱.
3.2大(dà)流速下的(de)仿真分析(xī)
　　設置進口(kou)速度爲5.0m/ｓ，設(shè)置仿真計(ji)算的叠代(dai)步數爲300，過(guo)❄️程中在✨第(dì)👣96步計算結(jié)果受斂，可(ke)視爲定常(chang)流動.速度(du)雲圖如圖(tú)6.

　　中(zhong)間直管段(duan)内靠管壁(bì)處速度小(xiao)，中間大，速(su)度分布的(de)上下🌍對❌稱(chēng)性較高.在(zài)圖7中，當流(liú)速增加爲(wèi)5.0m/ｓ時，中間直(zhí)管段與⛱️尾(wěi)部漸擴管(guan)的💋流場非(fēi)常平穩，無(wú)回流現🔴象(xiàng).

　　綜合圖4、圖(tu)5、圖7可見，随(sui)着流體速(su)度增加，回(huí)流減弱.綜(zong)合3.1與3.2，流道(dào)域内均爲(wei)穩态的定(ding)常流動，且(qie)流場平穩(wěn)❄️，速度分布(bù)對稱性較(jiao)高，故該結(jié)構的電磁(ci)流量計在(zai)大小流⚽速(su)條件下的(de)使用均是(shì)可行的.
4離(lí)心率對流(liú)場的影響(xiǎng)
4.1離心率爲(wèi)0.8
　　中間橢圓(yuán)截面直管(guan)段短長半(bàn)軸之比爲(wei)3/5，離心率0.8.分(fèn)别❓定義入(ru)口速度爲(wei)0.1m/ｓ、5.0m/ｓ，在此條件(jiàn)下使用Fluent進(jin)行模拟計(jì)算，過程中(zhōng)☂️分别在第(di)263步、192步時計(jì)算結果收(shou)斂，可視爲(wei)定常流動(dong).結果如圖(tú)8至圖10.


　　入口速(sù)度爲0.1m/ｓ時（圖(tu)8、圖9），中間直(zhi)管段内靠(kào)近但不接(jiē)觸管壁的(de)位置流速(su)大，中間小(xiao).速度分布(bu)的上下對(dui)稱🏃‍♀️性較高(gao)，流道域🐆尾(wěi)部出現🌈回(huí)流現象，但(dàn)中間直管(guan)端的流場(chǎng)依然平穩(wěn).當入口速(sù)度增加至(zhì)⭐5.0m/ｓ時（圖10、圖11），中(zhong)間直管段(duàn)内速度分(fèn)布基本均(jun1)勻，尾部回(huí)流消失，流(liu)場整體平(ping)穩.

　　縮(suo)徑爲0.8離心(xin)率的橢圓(yuan)截面電磁(cí)流量計在(zai)初始流⭕速(sù)爲♊0.1m/ｓ與5.0m/ｓ條件(jiàn)下均爲穩(wen)态流動，速(sù)度分布對(duì)稱，直管内(nèi)流場平穩(wěn)，那🌈麽該🈲結(jié)構導流筒(tǒng)的電磁流(liu)量計在大(da)小流速條(tiáo)件❄️下的使(shǐ)用均是可(kě)行的.
4.2離心(xīn)率爲0.916
　　半長(zhang)軸長35mm，半短(duǎn)軸長14mm，短長(zhang)半軸之比(bi)2/5，離心率0.916.分(fen)别設置入(ru)口速度在(zai)0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的條件下(xià)通過Fluent進行(háng)模拟仿真(zhen)，設置😄計算(suan)叠代步數(shu)爲1000，過程中(zhōng)各點的速(su)度值随時(shí)間産生無(wu)規律變化(hua)，無法收斂(lian).圖11至圖14爲(wèi)步數等于(yu)1000時瞬時結(jié)果的抓取(qǔ).

　　由圖12、圖13可(kě)知，當入口(kǒu)速度爲0.1m/ｓ時(shi)，導流筒内(nei)速度分布(bù)無明顯規(guī)律，存在較(jiao)大的流場(chǎng)畸變.因爲(wei)導流筒兩(liǎng)側産生的(de)感應電動(dong)勢與✊流速(su)成正比，且(qie)流量計是(shi)根據流速(su)值計算出(chu)一定時間(jiān)内通過管(guǎn)道的體積(jī)流量，所以(yǐ)在非穩态(tài)流場條件(jiàn)下流量計(ji)檢測到的(de)👈是大小搖(yáo)擺🏒不定的(de)感應電動(dòng)勢，爲體積(ji)流量的計(jì)算造成許(xu)多👨‍❤️‍👨不确定(ding)因素，還降(jiang)⛹🏻‍♀️低了計量(liang)精度.
　　設置(zhì)流入速度(dù)爲5.0m/ｓ，計算過(guò)程中第117步(bù)收斂，流場(chǎng)可視爲達(da)到穩定狀(zhuang)态.如圖14、圖(tú)15所示，流場(chang)分布平穩(wěn)，中間💘直管(guǎn)段内速度(du)場分布基(jī)本均勻，與(yu)其它結構(gou)導流筒在(zài)該速度下(xià)的分布無(wú)明顯區别(bié).綜㊙️合圖12至(zhi)圖15可知，截(jié)面離心率(lü)變爲0.916時的(de)導流筒在(zài)入口速度(du)增大🐅到一(yi)定值後，流(liu)場穩定.

5不(bu)同結構導(dǎo)流筒所适(shì)應的速度(dù)區間
　　在完(wan)成不同結(jie)構導流筒(tong)在小流速(sù)與大流速(sù)情況💘下的(de)仿真之後(hou)，對入口流(liú)速分别爲(wei)0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的條件下(xia)進行模拟(nǐ)🥰計算.以流(liú)場速🔴度分(fen)布爲判據(jù)，得出了不(bu)同結構橢(tuo)圓管所适(shi)應的速度(du)區間.由表(biao)1可知：截面(miàn)離心率爲(wei)0.600和0.800的橢圓(yuán)形導🔞流筒(tǒng)的速🙇🏻度均(jun)适用于大(da)流速與小(xiao)流速，而截(jie)面離心率(lǜ)爲0.916的導流(liu)筒卻不适(shi)用于小流(liú)量的條件(jiàn)，當該結構(gòu)導流筒的(de)入口流速(su)達到0.8m/ｓ及以(yǐ)上時，内部(bu)流🔴場分布(bu)才被接受(shòu).雖橢圓變(biàn)扁，磁路✂️長(zhang)度平均值(zhí)Ｌ減小☀️，緻使(shǐ)所需勵磁(ci)電流Ｉ減小(xiǎo)，降低了設(she)備功耗，但(dan)縮徑量過(guo)大會犧牲(sheng)測速量程(cheng)，導緻🌍量程(cheng)下限升高(gao)，小流量的(de)狀态下不(bu)再适用.

6結(jié)論
本文針(zhen)對局部變(bian)爲橢圓形(xíng)截面的異(yì)徑導流筒(tong)進🔞行了🐪模(mó)拟🍓仿真計(ji)算.得出結(jie)論如下：
1）減(jiǎn)小磁路長(zhang)度平均值(zhí)Ｌ，在産生同(tong)等磁感應(ying)強度Ｂ的❗條(tiao)🔴件下，可減(jian)小勵磁線(xian)圈的電流(liú)Ｉ，從而提升(sheng)流量計的(de)靈敏度，降(jiang)低👉功耗.
2）當(dang)橢圓離心(xīn)率增大到(dao)一定值時(shí)，尾部漸擴(kuo)管便會出(chū)🛀現明顯的(de)‼️回流現象(xiang)，緻使流量(liang)計量程下(xià)限升高🔞，不(bú)再适用于(yú)低🐅速計量(liang).
3）入口速度(dù)對管内速(sù)度場的影(yǐng)響頗爲重(zhong)要，大流速(su)在導流筒(tong)各部位的(de)流場較平(ping)穩，小流速(sù)則容易發(fa)生回♉流現(xian)象，随着入(rù)口速度降(jiàng)低，回流更(geng)顯著.
4）離心(xīn)率爲0.8的橢(tuǒ)圓截面導(dao)流筒可最(zuì)大條件下(xià)滿足縮徑(jing)和✨流場🔞要(yao)求，該尺寸(cùn)适合在流(liu)量計中使(shi)用.

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