摘(zhai)摘要:四(si)電極外(wài)流式電(diàn)磁流量(liàng)計 是一(yī)種新型(xíng)的測量(liàng)注入剖(pou)面流量(liang)的測井(jǐng)理想儀(yí)器,廣泛(fan)應用于(yu)油田注(zhu)水井、注(zhù)聚井的(de)流量測(cè)量。目前(qian)四電極(jí)外流式(shì)電磁流(liú)量計的(de)研究主(zhu)要在實(shí)際環境(jìng)中開展(zhǎn),實驗效(xiào)率低、成(cheng)本高。建(jiàn)立了四(sì)電極外(wai)流式電(dian)磁流量(liang)計的準(zhǔn)确的有(yǒu)限元模(mo)型,将強(qiáng)耦合的(de)方法應(yīng)用在電(dian)磁結構(gòu)流體耦(ou)合.上,并(bìng)在不同(tong)流速下(xia)開展了(le)模型的(de)響應及(ji)誤差分(fèn)析。研究(jiu)表明,該(gai)有限元(yuán)模型在(zài)一定程(chéng)度上可(kě)用于電(dian)磁流量(liàng)計的流(liú)場仿真(zhēn)分析。流(liú)速較小(xiǎo)時,有限(xian)元仿真(zhēn)結果與(yǔ)實驗誤(wù)差較大(da);流速較(jiào)大時,流(liu)場趨近(jin)于勻速(sù)場,仿真(zhen)結果與(yǔ)實驗結(jie)果誤差(cha)較小。
　　在(zài)油田三(sān)次采油(you)中,注聚(ju)合物驅(qu)油是提(ti)高原油(you)采收率(lǜ)的重要(yào)手段之(zhi)一,它比(bǐ)水驅效(xiao)果提高(gāo)了20%左右(you);現場實(shi)驗表明(ming),過去常(chang)用的注(zhu)入剖面(miàn)測井儀(yi)器已經(jing)不适合(hé)注聚合(he)物測井(jing)的剖面(miàn)測試的(de)要求。電(dian)磁流量(liang)計是一(yī)種新型(xíng)的測量(liang)注入剖(pōu)面的儀(yí)器,較好(hao)地解決(jué)了聚合(he)物注入(ru)剖面的(de)測井問(wen)題。
　　四電(dian)極外流(liú)式電磁(ci)流量計(jì)是針對(duì)油田應(yīng)用開發(fā)的一種(zhong)特殊電(diàn)磁流量(liàng)計,其不(bu)僅具有(you)普通工(gōng)業電磁(ci)流量計(ji)無節流(liú)阻流,不(bú)易堵塞(sai),耐腐蝕(shi)性好,測(ce)量精度(dù)不受被(bei)測介質(zhì)溫度、黏(nian)度、密度(dù)、壓力等(deng)物理參(can)數的影(yǐng)響且其(qi)示值在(zai)一定的(de)電導率(lǜ)範圍内(nei)與被标(biāo)定的液(ye)體種類(lèi)無關等(děng)特點,還(hái)具有體(ti)積小、耐(nai)高溫高(gāo)壓、流場(chang)不對稱(chēng)對測量(liàng)精度影(ying)響較小(xiao)的優點(diǎn),可以作(zuo)爲獨立(lì)設備進(jin)行井下(xia)測量,也(yě)可以作(zuò)爲複雜(za)智能測(ce)調系統(tong)的數據(jù)采集終(zhōng)端。其基(ji)本原理(lǐ)是基于(yu)法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lü),即當導(dao)電液體(ti)流過磁(cí)場作切(qiē)割磁力(li)線運動(dòng)時,則在(zài)垂直于(yu)流速向(xiang)量和磁(cí)場向量(liàng)的方向(xiàng)上會産(chan)生一個(gè)與流量(liàng)大小成(chéng)正比的(de)感應電(dian)動勢,其(qí)表達式(shì)爲
 
　　式中(zhong):Ɛab爲感應(yīng)電動勢(shi);α爲電極(jí)1的位置(zhi)坐标;b爲(wèi)電極2的(de)位置坐(zuò)标;B爲流(liú)體微元(yuán)處的磁(cí)場強度(dù);V爲流體(tǐ)微元的(de)速度;dl爲(wèi)流體微(wei)元的長(zhang)度。
　　因此(cǐ)可知，通(tōng)過測得(dé)感應電(diàn)動勢的(de)大小，即(ji)可測得(de)流量大(da)小。
　　目前(qián),在電磁(cí)流量計(ji)方面的(de)有限元(yuán)建模研(yán)究較少(shǎo)。1996年，MICHALSKI等基(ji)于有限(xiàn)元建立(li)的不同(tong)形狀和(he)尺寸的(de)流體管(guan)道數值(zhi)模型對(duì)勵磁線(xian)圈的橫(héng)截面形(xíng)狀進行(hang)尋優,以(yi)獲得均(jun)勻的矢(shǐ)量積3];2002年(nian)，MICHALSKI等用有(yǒu)限元方(fāng)法建立(lì)了電磁(cí)流量計(ji)勵磁線(xian)圈的3D混(hun)合數學(xué)模型;2009年(nian),金甯德(de)等用Ansys對(dui)四電極(jí)外流式(shi)電磁流(liu)量計建(jian)立了二(er)維有限(xiàn)元模型(xing),得出了(le)數值模(mo)拟結果(guo),提出了(le)四電極(jí)外流式(shi)電磁流(liu)量計的(de)理論分(fèn)析方法(fǎ)(但這個(gè)模型無(wu)法進行(háng)仿真實(shi)驗);邬惠(huì)峰等建(jiàn)立了普(pu)通工業(ye)内流式(shi)電磁流(liú)量計的(de)二維仿(páng)真模型(xíng)°0(内流式(shì)和外流(liú)式因其(qi)應用的(de)場合不(bú)同,整個(ge)流量計(ji)的結構(gou)也不同(tong));2010年，張志(zhì)剛利用(yòng)Matlab對四電(diàn)極外流(liú)式電磁(ci)流量計(jì)權重函(hán)數分布(bù)情況進(jìn)行了理(lǐ)論推導(dao)和仿真(zhen)計算,爲(wei)進一步(bù)開展四(si)電極外(wài)流式電(dian)磁流量(liàng)計的研(yán)究和開(kāi)發設計(jì)奠定了(le)理論基(jī)礎”。大量(liàng)研究表(biǎo)明，有限(xiàn)元方法(fǎ)是一種(zhong)研究電(diàn)磁流量(liàng)計的有(you)效手段(duàn)。由于四(sì)電極外(wài)流式電(dian)磁流量(liàng)計系統(tong)本身受(shòu)結構參(can)數和電(dian)氣參數(shù)等衆多(duō)參數的(de)影響,影(ying)響規律(lǜ)複雜,改(gai)變某--個(ge)參數就(jiu)需要變(biàn)換硬件(jiàn),實驗效(xiao)率低而(ér)且成本(běn)高。因此(cǐ)采用有(yǒu)限元方(fang)法建立(lì)能反映(ying)其特性(xing)的多物(wu)理場仿(pang)真模型(xing),開展電(dian)磁流量(liang)計勵磁(cí)規律和(he)三維尺(chǐ)度下磁(ci)場分布(bù)規律及(jí)影響因(yīn)素研究(jiu),可優化(hua)磁場設(shè)計參數(shu),指導傳(chuán)感器的(de)實驗與(yǔ)設計,顯(xian)著降低(dī)成本,提(ti)高開發(fa)準确率(lǜ)及效率(lǜ)。
1流量計(jì)場路耦(ǒu)合有限(xiàn)元模型(xíng)的建立(li)
1.1三維實(shí)體模型(xíng)的建立(lì)與簡化(huà)
　　電磁流(liú)量計實(shi)體模型(xing)中不僅(jǐn)包括線(xian)圈、線圈(quan)架、電極(jí)、測量管(guan)、絕緣套(tào)、空氣域(yù)、流場域(yu)等主要(yào)部件,還(hái)包括平(píng)衡柱體(ti)、平衡柱(zhù)套、電纜(lǎn)插頭過(guo)線塞座(zuò)過線塞(sāi)套等輔(fǔ)助零件(jian)。由于輔(fǔ)件對磁(cí)場和電(dian)極的感(gan)應電動(dong)勢沒有(yǒu)影響,同(tóng)時各個(ge)主要部(bù)件上都(dōu)加工有(you)裝配特(te)征,且這(zhè)些特征(zheng)都對磁(ci)場和信(xìn)号也沒(méi)有影響(xiang),因此爲(wei)了提高(gao)計算效(xiao)率，可對(dui)傳感器(qi)模型進(jin)行簡化(huà)。簡化後(hòu)的模型(xíng)包括:1)線(xian)圈，如圖(tú)1a);2)線圈架(jià)，如圖1b);3)電(dian)極,如圖(tú)1c);4)空氣域(yu)，如圖1d);5)流(liú)體域,如(ru)圖1e);6)測量(liang)管域,如(ru)圖1f)。
 
　　在Solidworks中(zhōng)建立了(le)簡化的(de)傳感器(qi)實體模(mó)型,然後(hou)将其導(dao)入強大(da)的網格(ge)劃分軟(ruan)件HyperMesh中進(jìn)行布爾(er)運算和(hé)網格劃(huà)分，由于(yú)實體模(mó)型導入(ru)後會丢(diū)失體信(xìn)息，因此(ci)模型導(dao)入後要(yào)重新利(li)用各個(gè)實體的(de)面重新(xin)生成體(tǐ)。
1.2有限元(yuan)模型的(de)前處理(li)及設置(zhì)
　　Ansys在工程(chéng)領域強(qiáng)大的求(qiú)解能力(lì)衆所周(zhōu)知(8],故采(cǎi)用Ansys軟件(jian)作爲電(dian)磁場求(qiu)解軟件(jiàn)。由于整(zheng)個有限(xiàn)元模型(xing)中的各(ge)個部件(jiàn)都是三(san)維實體(ti),模型尺(chǐ)寸頗大(da),在進行(hang)網格劃(huà)分時會(huì)有大量(liàng)網格産(chǎn)生,增大(dà)計算量(liang),而該模(mó)型中除(chu)了流體(ti)域和電(dian)極是計(ji)算域外(wài),其他部(bu)分都不(bú)需要參(can)與計算(suan),因此将(jiang)線圈、線(xian)圈架、電(diàn)極的網(wang)格大小(xiǎo)設置爲(wei)2mm,空氣域(yu)的網格(gé)大小設(she)置爲3mm,流(liu)體域的(de)網格大(dà)小設置(zhì)爲1mm。
　　有限(xiàn)元網格(ge)的質量(liàng)直接影(ying)響計算(suàn)精度,采(cǎi)用自動(dong)網格劃(hua)分,單元(yuán)形狀爲(wèi)四面體(tǐ),粗網格(ge)和細網(wang)格之間(jiān)過渡并(bing)不光滑(huá),因此将(jiāng)流體域(yu)和空氣(qì)域之間(jian)的測量(liang)管域的(de)網格單(dan)元大小(xiao)設置爲(wei)2mm。網格劃(huà)分後,導(dǎo)入Anrsys中進(jìn)行單元(yuan)類型、材(cái)料、實常(chang)數、載荷(he)、邊界條(tiáo)件和場(chǎng)路耦合(hé)單元設(she)置。線圈(quān)用銅線(xiàn)實現,匝(zā)數共6500匝(zā),其截面(miàn)積爲2.72×10-4:mm²,體(ti)積爲1.49×10-5mm3;線(xian)圈坐标(biāo)系單獨(du)定義爲(wei)局部柱(zhù)坐标系(xì)，軸向爲(wei)正Y方向(xiàng),其餘部(bù)件的坐(zuo)标系使(shi)用全局(ju)笛卡爾(er)坐标系(xì)，軸向爲(wei)正Y方向(xiang)。各個部(bu)件的材(cai)料參數(shu)設置見(jiàn)表1。
 
　　爲了(le)實現勵(li)磁方式(shì)的可編(biān)程，需要(yao)把線圈(quan)單元耦(ǒu)合到電(dian)路,因此(ci)建立2個(gè)Circu124分别實(shi)現獨立(lì)電壓源(yuán)單元和(he)耦合單(dan)元,V;節點(diǎn)的電位(wèi)定義爲(wei)0,然後将(jiāng)線圈單(dan)元的任(ren)意-一個(ge)節點定(ding)義爲耦(ou)合單元(yuan)的K節點(dian)以實現(xiàn)耦合,具(ju)體如圖(tu)2所示。.
 
2模(mó)型校驗(yan)
　　爲了保(bao)證模型(xíng)的正确(què)率,對建(jiàn)立的四(si)電極外(wài)流式電(diàn)磁流量(liàng)傳感器(qì)的三維(wéi)有限元(yuán)模型,從(cong)2個方面(miàn)進行了(le)校驗:首(shou)先,給有(yǒu)限元模(mó)型施加(jia)恒值電(dian)流激勵(li),選用靜(jìng)态求解(jie)類型,将(jiang)模型最(zui)外圈節(jiē)點的Ax,Ay,Ax自(zi)由度均(jun)設爲0,選(xuǎn)擇所有(yǒu)單元後(hòu)進行求(qiu)解，然後(hou)在後處(chù)理器中(zhong)讀入結(jié)果，畫出(chu)電極附(fù)近的磁(ci)場;分布(bu),如圖3所(suǒ)示,磁場(chang)分布符(fú)合金甯(níng)德等數(shù)值分析(xī)的結果(guo)'5],如圖4所(suo)示;其次(ci),在現有(you)模型基(jī)礎上加(jiā)密網格(ge)單元，所(suǒ)得感應(yīng)電動勢(shì)大小前(qian)後誤差(cha)小于5%,從(cong)而保證(zhèng)有限元(yuán)計算結(jié)果不受(shòu)網格質(zhi)量變化(hua)的影響(xiǎng)。綜上所(suo)述,該有(you)限元模(mo)型是準(zhun)确的,可(kě)用來進(jìn)行仿真(zhēn)研究。
 
3不(bu)同流速(su)下模型(xing)的響應(ying)及誤差(chà)分析
　　耦(ǒu)合分析(xī)分2種方(fang)法:強耦(ou)合(或稱(chēng)緊耦合(hé))和弱耦(ǒu)合(或稱(chēng)松耦合(hé))。強耦合(he)通過單(dān)元矩陣(zhen)或荷載(zǎi)向量把(bǎ)耦合作(zuò)用構造(zao)到控制(zhi)方程中(zhong),然後對(dui)控制方(fang)程直接(jiē)求解,其(qí)缺點是(shì)在構造(zao)控制方(fāng)程過程(cheng)中常常(chang)不得不(bú)對問題(ti)進行某(mou)些簡化(huà),有時候(hòu)計算準(zhun)确程度(du)較難保(bao)證。弱耦(ǒu)合是在(zài)每一步(bu)内分别(bié)對每一(yi)種場方(fāng)程進行(hang)一次求(qiu)解,通過(guò)把第1個(gè)物理場(chang)的結果(guo)作爲外(wài)荷載加(jiā)于第2個(gè)物理場(chang)來實現(xian)2個場的(de)耦合。其(qi)優點是(shi)可以利(li)用現有(you)的通用(yòng)流場和(he)電磁場(chang)軟件,并(bìng)且可以(yǐ)分别對(duì)每--個軟(ruan)件單獨(dú)地制定(ding)合适的(de)求解方(fāng)法;缺點(dian)是計算(suan)過程比(bi)較複雜(zá)。強耦合(hé)通常适(shi)合于對(duì)耦合場(chǎng)的理論(lùn)分析,弱(ruo)耦合适(shi)用于對(dui)耦合場(chang)的數值(zhí)計算。
　　仿(pang)真對象(xiang)的外徑(jìng)尺寸是(shi)38mm,其工作(zuo)的管道(dao)内徑爲(wei)46mm,根據截(jié)面積相(xiàng)等的原(yuán)則,其等(deng)效管徑(jing)爲26mm。當雷(lei)諾數Re<2000時(shí),管道内(nèi)流動狀(zhuang)态爲層(ceng)流;當4000>Re>2000時(shí),管道内(nei)流動狀(zhuàng)态不确(que)定;當Re>4000時(shi),管道内(nei)流動狀(zhuang)态爲湍(tuan)流。當流(liú)動狀态(tài)爲湍流(liú)時,由可(kě)計算出(chu)紊流流(liu)動對應(yīng)的最小(xiao)平均流(liú)速V=0.092m/s.
　　式中(zhong):V爲平均(jun)流速;D爲(wèi)圓管直(zhí)徑,取26mm;ʋ爲(wei)運動黏(nian)度,取0.6×10-6m2/s。
　　因(yin)此,當管(guǎn)道内平(píng)均流速(su)V>0.092m/s時,管道(dao)内的流(liú)動狀态(tai)爲紊流(liu);事實上(shang)，四電極(ji)外流式(shì)電磁流(liú)量計在(zài)工作的(de)時候，管(guǎn)道内大(dà)多數的(de)流動速(sù)度都大(dà)于這個(ge)值。當管(guan)道内的(de)流動狀(zhuang)态爲紊(wen)流時,用(yòng)CFD軟件進(jin)行流場(chang)分析、計(ji)算,通過(guo)CFD模拟，可(kě)以分析(xi)并且顯(xian)示流體(ti)流動過(guò)程中發(fā)生的現(xian)象,及時(shi)預測流(liu)體在模(mó)拟區域(yù)的流動(dong)性能[10],用(yòng)有限元(yuán)軟件Ansys中(zhong)的FLOTRANCFD模塊(kuai)對其流(liú)場進行(hang)仿真分(fen)析,計算(suàn)結果如(ru)圖5所示(shì)。
 
　　在近壁(bì)0.2mm處速度(du)較小，其(qi)餘位置(zhì)都接近(jin)平均速(su)度。基于(yú)此,可以(yǐ)将流體(ti)等效爲(wèi)一個勻(yun)速導體(ti),用強耦(ǒu)合的方(fāng)法進行(hang)電磁流(liú)場耦合(he)的分析(xī)。
　　在紊流(liú)場共選(xuan)定了10個(ge)不同的(de)流量值(zhí),獨立電(diàn)壓源編(biān)程爲兩(liǎng)值矩形(xing)波,幅值(zhí)爲15V,頻率(lǜ)爲1Hz,對流(liu)量數據(ju)進行了(le)仿真計(jì)算，并在(zai)實驗台(tái)上得出(chū)了實驗(yàn)數據,實(shí)驗台采(cǎi)用精度(dù)爲0.5%的電(dian)磁流量(liang)計讀取(qǔ)流量值(zhí),用信号(hao)處理電(dian)路采集(ji)四電極(ji)外流式(shì)電磁流(liu)量計的(de)感應電(dian)動勢信(xin)号,通過(guò)串口輸(shū)入到計(ji)算機顯(xiǎn)示,實驗(yan)台原理(li)圖如圖(tú)6所示，最(zuì)後對這(zhe)2種數據(ju)進行了(le)誤差分(fèn)析,結果(guo)見表2。
 
　　從(cóng)實驗結(jie)果和仿(pang)真結果(guo)的誤差(cha)來看,流(liú)速較小(xiao)的時候(hòu)誤差非(fēi)常大,随(sui)着流速(su)的加快(kuai)，誤差逐(zhú)漸減小(xiǎo)。這是因(yin)爲流速(sù)越大,流(liu)場就越(yue)趨近于(yú)勻速場(chǎng),仿真計(jì)算的方(fang)法越接(jiē)近真實(shí)情況。誤(wù)差一方(fāng)面是由(yóu)仿真模(mó)型的簡(jian)化引起(qǐ)的,另一(yī)方面是(shì)由信号(hao)處理電(diàn)路引起(qǐ)的,仿真(zhen)模型反(fǎn)映了實(shí)際的情(qing)況,可以(yi)用于勵(li)磁技術(shu)實驗等(deng)的理論(lùn)分析。
4結(jie)語
　　通過(guo)有限元(yuán)方法建(jian)立了四(sì)電極電(dian)磁流量(liang)計的仿(páng)真模型(xing),從2個方(fang)面對模(mó)型進行(háng)了校驗(yan),驗證了(le)模型的(de)正确率(lü)。在不同(tóng)平均流(liu)速下,用(yong)強耦合(he)的方法(fǎ)仿真計(ji)算了模(mo)型的響(xiǎng)應,并計(jì)算了誤(wù)差。研究(jiū)表明,該(gāi)有限元(yuan)模型在(zài)一定程(chéng)度上可(kě)用于電(diàn)磁結構(gou)流場的(de)仿真分(fèn)析,流速(sù)較小時(shi),有限元(yuán)仿真結(jie)果與實(shí)驗誤差(cha)較大;流(liu)速較大(dà)時,流場(chǎng)趨近于(yu)勻速場(chǎng),仿真結(jié)果與實(shí)驗結果(guǒ)誤差較(jiào)小。

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