摘要(yào)：采用Fluent軟(ruǎn)件對圓(yuán)形截面(miàn)漸變爲(wei)矩形截(jie)面的異(yi)徑管道(dào)✍️流🔞場進(jin)行蘭維(wei)建模和(he)數值仿(pang)真，分析(xi)了橫截(jié)面收縮(suo)異徑管(guan)的速度(du)分布和(hé)流線，建(jian)立了矩(ju)形截面(miàn)部分的(de)長♈度、寬(kuān)度、高度(du)與進出(chū)口壓力(li)損失和(he)中心截(jié)面✊平均(jun)速度之(zhī)間的關(guan)系.研究(jiū)表明，中(zhōng)間矩形(xíng)截面部(bù)分的寬(kuān)度和高(gao)度對進(jin)出口壓(ya)損和中(zhōng)心⭐截面(mian)平均速(su)🐇度影響(xiǎng)較大，同(tong)時橫截(jié)面積收(shōu)縮比例(lì)太大會(huì)導緻流(liu)場紊亂(luàn)和🌍回流(liu)現象，從(cong)而爲合(hé)理設計(jì)局部橫(heng)截面積(ji)收縮的(de)電磁流(liu)量測🌏量(liang)管道提(tí)供了理(li)論依據(ju).
　　目前國(guó)内生産(chan)的電磁(cí)流量計(jì) 測量管(guǎn)道多爲(wei)均勻圓(yuan)管，應用(yòng)領域越(yue)來越廣(guang).然而電(dian)磁❌流🔴量(liang)計在原(yuán)理上要(yào)求管道(dào)流速爲(wèi)中心軸(zhóu)對🏃‍♀️稱分(fèn)布，這樣(yàng)，具有均(jun1)勻磁場(chang)和點電(diàn)極的電(diàn)磁流量(liàng)計的輸(shu)出信号(hào)與流速(su)成正;同(tong)時電磁(cí)流量計(jì)在低流(liu)速的小(xiao)流量測(ce)量✂️時，可(kě)靠性🤩和(he)精度都(dou)不太理(li)想.所以(yi)，如何在(zài)低流速(sù)小流量(liang)下實現(xiàn)流量的(de)精确測(ce)量和低(dī)功耗設(she)計成爲(wei)人們關(guan)☎️注的熱(re)點[1-2J爲了(le)适應低(di)功耗設(she)計要求(qiú)，目前在(zài)⭐電磁流(liu)量計的(de)勵磁方(fang)式💞、管道(dào)結構、硬(ying)件電路(lu)🐉和電極(ji)形狀等(děng)方🌂面⚽進(jìn)行了不(bu)斷改進(jìn)并取得(de)了不同(tóng)程度的(de)進展.
　　對(dui)于異徑(jìng)管道，目(mu)前國内(nèi)的相關(guān)文獻較(jiao)少.主要(yào)是通過(guo)在原來(lái)圓形橫(heng)截面管(guan)道的基(ji)礎上增(zēng)加縮徑(jìng)圓管，再(zài)采用小(xiao)口徑傳(chuán)統🚶電磁(cí)流量計(jì)對增速(sù)的流量(liàng)進行測(cè)量[町，以(yi)提高測(cè)量精度(du).Heijnsdijk[7J等把縮(suō)徑作爲(wèi)電磁流(liu)量計管(guan)道結構(gòu)的一部(bu)分🍓，并設(she)計了不(bú)同形狀(zhuang)‼️的中間(jiān)管道截(jié)面.Korsunskii[町等(deng)證✏️明對(dui)于矩形(xing)🔱截面管(guǎn)道，電極(jí)上的感(gǎn)應信号(hào)不依賴(lai)于流速(sù)分布.Lim[9J對(dui)傳統的(de)電磁流(liú)量計進(jìn)行改進(jin)，設計❓了(le)長方體(tǐ)管道結(jie)構和磁(cí)場結構(gòu)，分析了(le)矩形電(dian)極的權(quan)重函數(shu)分布.
　　橫(héng)截面積(jī)局部收(shou)縮爲矩(jǔ)形的電(dian)磁流量(liang)測量管(guan)道内的(de)速度分(fèn)布、壓力(lì)損失和(hé)流動特(tè)性進行(hang)Fluent仿真，欲(yu)爲合💘理(li)的電磁(cí)流量💔計(ji)管⭕道結(jie)構設計(ji)提供一(yī)定依據(ju).
1電磁流(liu)量計原(yuán)理
　　電磁(ci)流量計(jì)是一種(zhǒng)根據法(fa)拉第電(dian)磁感應(yīng)定律來(lái)測量⭐導(dao)電液🙇🏻體(tǐ)體積流(liu)量的儀(yí)表.其勵(li)磁線圈(quān)将磁場(chang)施加給(gei)被測流(liú)體，從而(ér)通過檢(jiǎn)測磁場(chǎng)中運動(dòng)流體的(de)感應電(dian)動勢并(bìng)進行相(xiàng)應的信(xìn)号處理(li)來實現(xian)🎯流量的(de)準确測(ce)量。
對于(yú)圓形管(guan)道電磁(cí)流量計(jì)，輸出信(xìn)号電壓(ya)爲:
E=B×`n×D(1)
式中(zhong):E爲感應(ying)電動勢(shì)，B爲磁感(gan)應強度(du)，`n爲運動(dòng)平均速(sù)度🔴，D爲💯兩(liǎng)電極㊙️之(zhī)間的距(jù)離(對于(yú)圓形管(guǎn)道，D爲測(ce)量管内(nèi)徑).
假設(she)管道的(de)橫截面(mian)積爲A，流(liu)量爲q，則(ze)(1)式爲:

在(zai)建立電(dian)磁流量(liang)計這個(ge)基本方(fang)程的過(guo)程中作(zuò)了如下(xià)假設；
1)流(liú)體磁導(dǎo)率μ均勻(yun)，且等于(yu)真空中(zhong)磁導率(lü)，即流體(tǐ)是非磁(ci)性的;
2)流(liu)體的電(diàn)導率均(jun1)勻，并滿(mǎn)足Ohm定律(lǜ);
3)流體中(zhōng)位移電(dian)流可忽(hu)略;
4)磁場(chǎng)在無限(xiàn)大範圍(wei)内，磁感(gan)應強度(dù)B是均勻(yun)分布;
5)充(chong)分發展(zhǎn)流，對圓(yuán)管而言(yan)呈軸對(duì)稱分布(bu).
　　式(1)表明(ming)感應電(diàn)動勢正(zhèng)比于平(píng)均流速(su).但當流(liú)體的流(liu)速很低(dī)💁時，産生(sheng)的感應(ying)電動勢(shì)很小，難(nán)以同噪(zao)聲進行(háng)🌍區分，緻(zhì)使測量(liàng)誤差增(zēng)大.因此(ci)，限制了(le)電磁流(liu)量計的(de)測量下(xia)限，對儀(yi)表的靈(ling)敏度、穩(wěn)💰定性和(hé)可靠性(xìng)産生影(yǐng)響.異徑(jìng)管設計(ji)要求在(zài)不改變(biàn)🌐原流場(chǎng)特性的(de)條件下(xia)，适當縮(suo)徑以✨增(zeng)加流速(su)來提高(gao)測量靈(líng)敏度.而(ér)矩形🧑🏾‍🤝‍🧑🏼截(jie)⛹🏻‍♀️面管道(dao)相對于(yu)圓形截(jie)面管道(dao)，電極上(shang)的感應(yīng)信号不(bu)依賴于(yu)🔞管道橫(héng)截面的(de)流速分(fèn)布[12J?Bevir[13J證明(míng)在磁場(chǎng)均勻和(he)電極形(xíng)狀爲矩(ju)形的條(tiao)件下，這(zhe)種依賴(lài)性很小(xiǎo)，可忽略(luè)不計.
電(diàn)磁流量(liang)計的勵(li)磁電路(lù)，線圈臣(chén)數N，勵磁(cí)電流I，磁(cí)通❓勢F爲(wei):

　　由(7)式可(kě)知，磁感(gǎn)應強度(dù)B與勵磁(ci)電流成(cheng)正比，與(yu)磁路的(de)❄️平均長(zhang)度L成反(fan)比.對于(yu)相同勵(li)磁電路(lu)、相同兩(liang)電極之(zhī)間距👌離(li)D和🍓相等(děng)管道橫(heng)截面積(jī)的圓管(guan)和矩形(xíng)管，矩形(xing)管的高(gao)度h小于(yú)圓管直(zhi)徑D.假設(shè)磁路與(yǔ)管道之(zhī)間的距(jù)離爲hw，管(guan)道橫截(jié)面積爲(wei)圓形和(he)矩形的(de)磁路平(ping)均長度(dù)L分别爲(wei)h+2hw和D+2hw·因此(cǐ)，勵磁電(diàn)流相同(tong)時矩形(xing)管道磁(ci)感應強(qiáng)度大于(yú)圓形管(guǎn)道的磁(ci)感應強(qiang)度.若🌈需(xū)要得到(dao)🆚相同磁(ci)感應強(qiang)✊度B，矩形(xing)截面管(guan)道所需(xu)勵磁電(dian)流較小(xiǎo)，可提高(gāo)電磁流(liú)量計的(de)低功耗(hào)特性.
2模(mó)型仿真(zhēn)
2.1模型的(de)建立與(yu)網格的(de)劃分

2.2Fluent内部參(can)數設置(zhi)
　　對Fluent中的(de)各參數(shu)設置如(rú)下:模型(xíng)求解方(fāng)法選擇(zé)默認設(shè)置的非(fēi)搞合求(qiú)解方法(fǎ);定義流(liu)體的物(wu)理性質(zhì)爲水;選(xuǎn)用k-f.揣💘流(liu)模型[15J初(chu)💁始流速(sù)0.1m/s和5m/s，水力(lì)直徑50mm，Yi白(bai)流強度(dù)分别爲(wei)5.5%和3.38%.
3仿真(zhēn)結果分(fen)析
3.1異徑(jing)管道流(liu)場分布(bu)
　　對局部(bu)矩形橫(heng)截面的(de)異徑管(guan)道，在矩(jǔ)形部分(fen)長度80mm，寬(kuān)度38mm，高🔴度(dù)20mm，管道總(zǒng)長200mm的條(tiao)件下采(cǎi)用Fluent軟件(jiàn)進行流(liu)場仿真(zhēn)，管道💋初(chu)始流速(sù)分别爲(wèi)0.1m/s低流速(sù)和5m/s最大(da)流速.其(qi)壓損和(hé)中心截(jie)👌面平均(jun1)速度如(rú)表1:

　　表1指(zhi)出低流(liú)速0.1m/s時異(yì)徑管道(dao)中間流(liu)速增加(jia)2.58倍，提高(gāo)了測量(liang)靈敏度(dù)和精确(que)度.初始(shǐ)流速5m/s時(shí)，其壓力(lì)損失符(fu)合冷水(shui)水表的(de)檢定規(gui)程[1叫額(e)定工作(zuo)條件下(xia)的最大(dà)壓力損(sun)失📞應不(bu)超🌈過0.063MPa.中(zhōng)間流速(sù)也增加(jiā)2.58倍爲12.9m/s，仍(réng)在傳統(tong)電磁流(liu)量計💰的(de)測量範(fan)圍内，但(dan)更大初(chū)始流速(su)可能會(hui)超出測(ce)量範圍(wei)⁉️.因此，應(yīng)根據使(shi)用條件(jian)合理設(shè)計管道(dao)尺寸.圖(tu)2、圖3(其中(zhong)X、Y軸🍉坐标(biao)單位均(jun)爲m;速度(dù)單位爲(wei)m/s)和🧑🏾‍🤝‍🧑🏼圖4表(biao)明異徑(jìng)長方體(ti)管道❗的(de)流場特(tè)性穩定(dìng)，設計長(zhang)方體異(yì)徑🌈管道(dao)電磁流(liú)量計具(ju)有可行(hang)性.



3.2異徑管(guǎn)道流場(chang)畸變
　　對(duì)橫截面(mian)由圓形(xíng)漸變爲(wei)矩形的(de)異徑管(guan)道，在矩(ju)形截面(miàn)部分長(zhǎng)度80mm，寬度(dù)20mm，高度5mm，管(guan)道總長(zhang)度爲200mm的(de)設定條(tiao)💋件下采(cai)用Fluent軟件(jian)進行流(liú)場仿真(zhen)，管道初(chu)始流速(su)0.1m/s.進出✉️口(kǒu)壓損⚽1903.8014Pa，中(zhōng)心截面(miàn)平均速(sù)度2.4529221m/s,增加(jia)24.5倍.根🏃🏻‍♂️據(jù)圖5、圖6可(ke)知，如果(guo)矩形截(jié)面部分(fèn)的高度(du)和寬度(dù)壓縮太(tai)大會導(dǎo)🌈緻回流(liú)現象，同(tong)時異徑(jìng)管的出(chu)口壓力(lì)✌️相對于(yu)進口壓(ya)力小太(tài)多，出現(xian)漸擴管(guǎn)有嚴重(zhong)的揣流(liu)現象，流(liú)場變化(huà)較大☔.


3.3異(yi)徑管道(dao)橫截面(mian)積收縮(suō)部分不(bú)同長度(dù)的影晌(shang)
　　對橫截(jié)面由圓(yuan)形漸變(biàn)爲矩形(xíng)的異徑(jing)管道，在(zai)矩形⚽截(jie)🔞面部分(fen)💋寬度38mm，高(gāo)度20mm，長度(dù)爲100~40mm，以步(bu)長10mm變化(hua)，管道總(zǒng)長200mm的條(tiáo)⭕件下🌈采(cǎi)用Fluent軟件(jiàn)進行流(liu)場仿真(zhen).管道人(ren)口初始(shi)流速設(she)定爲O.1m/s.仿(páng)真結果(guo)如表2.異(yi)徑管長(zhǎng)度方向(xiàng)上的壓(ya)力損失(shī)由沿程(chéng)壓📞力損(sun)失引起(qǐ)，差别較(jiao)小，中心(xin)截💞面平(ping)均速度(du)基本保(bao)持不變(biàn).

3.4異徑管(guǎn)道橫截(jié)面積收(shōu)縮部分(fèn)不同寬(kuān)度的影(yǐng)響
　　對橫(héng)截面由(you)圓形漸(jian)變爲矩(ju)形的異(yì)徑管道(dào)，在矩形(xing)截‼️面部(bu)分長度(du)80mm，高度20mm，寬(kuān)度爲48~20mm，以(yǐ)步長2mm變(biàn)化，管道(dào)總長200mm的(de)條🧑🏽‍🤝‍🧑🏻件下(xià)采用Fluent軟(ruan)件進行(hang)流場仿(páng)真，管道(dào)人口初(chu)始流速(su)設定爲(wèi)0.1m/s.得壓損(sun)和中心(xin)截面平(píng)均速度(dù)分布如(rú)圖7.寬度(du)越小壓(ya)力損🤞失(shī)越大，但(dàn)中心截(jie)面平均(jun1)速度📱也(yě)越大，随(suí)着🌍寬度(du)的減小(xiao)，壓損和(hé)中心截(jie)面平均(jun)速度增(zeng)幅增大(dà)♌.

3.5異徑管(guǎn)道橫截(jié)面積收(shou)縮部分(fèn)不同高(gao)度的影(yǐng)晌
　　對橫(héng)截面由(you)圓形漸(jian)變爲矩(jǔ)形的異(yi)徑管道(dao)，在矩形(xing)截面部(bù)分長度(dù)80mm，寬度50mm，高(gao)度爲30~8mm，以(yi)步長2mm變(bian)化，管道(dao)總長200mm的(de)條🌐件下(xià)采用Fluent軟(ruǎn)件🐉仿真(zhen)其流場(chǎng)分布，管(guǎn)道人口(kou)初始流(liú)速O.1m/s.得壓(ya)損和中(zhong)心❄️截面(mian)平均速(sù)度分布(bù)如圖8.高(gao)度越小(xiao)壓力損(sǔn)失越大(da)，且中心(xin)截面平(ping)均速度(du)也越大(da).随着高(gao)度🐅的減(jiǎn)小，壓損(sǔn)和中心(xīn)截面🏒平(ping)均速度(du)增幅增(zeng)大.

4結語(yu)
　　對橫截(jié)面由圓(yuan)形漸變(biàn)爲矩形(xíng)的異徑(jìng)電磁流(liu)量計管(guǎn)💃🏻道進行(hang)了⁉️三維(wéi)模拟仿(pang)真.縮徑(jing)矩形截(jié)面部分(fèn)流體流(liú)速增加(jia)且❤️流速(sù)在管道(dao)橫截面(mian)上分布(bù)均勻，有(yǒu)㊙️利于低(dī)流速小(xiǎo)流量的(de)♍精确測(ce)量.矩形(xíng)♊截面部(bù)分的寬(kuan)度和高(gāo)度對進(jìn)出口壓(yā)損和🏃中(zhōng)心截面(miàn)平均速(sù)度影響(xiang)較大.矩(jǔ)形截面(miàn)異徑管(guǎn)感應電(diàn)動勢與(yu)磁感應(ying)強度B成(cheng)正比，與(yǔ)矩形橫(héng)截面的(de)高度h成(chéng)反比，由(yóu)此高度(dù)h越小越(yuè)好.但當(dāng)高度相(xiàng)對于圓(yuán)形人口(kou)的通徑(jìng)D收🥰縮較(jiao)大時，漸(jiàn)擴管中(zhōng)會出現(xiàn)明顯的(de)揣流和(hé)空穴現(xiàn)象，因此(ci)收☎️縮比(bi)例不能(neng)太大.采(cai)👨‍❤️‍👨用具有(you)局部收(shou)🌈縮的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻矩(ju)形截面(miàn)的測量(liàng)管道可(kě)✊提高電(dian)磁流量(liàng)計的勵(lì)磁效率(lü)和傳感(gan)器輸出(chu)信号的(de)幅度，有(yǒu)利于實(shí)現電磁(ci)流量計(ji)的低功(gong)耗設計(ji).
　　研究結(jie)果可知(zhi)，設計橫(heng)截面由(yóu)圓形漸(jiàn)變爲矩(ju)形的異(yi)徑管道(dào)電磁流(liú)量計具(jù)有可行(hang)性，理論(lun)上并不(bú)存在管(guan)道尺寸(cùn)，具體的(de)管道尺(chǐ)寸則根(gen)據不改(gai)變原流(liu)場特性(xing)太多、流(liu)體速度(du)範圍和(hé)壓力損(sǔn)失等要(yao)求來決(jué)定.相對(duì)于圓形(xíng)截面管(guan)道，橫截(jié)面由圓(yuán)形漸變(bian)爲👉矩形(xíng)的異徑(jìng)管道電(dian)磁流🙇🏻量(liàng)計還具(jù)有磁場(chǎng)均勻、與(yǔ)流速分(fen)布無關(guān)、低功耗(hao)等優點(diǎn).

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