摘(zhāi)要：文中插入式電(diàn)磁流量計 在非對(dui)稱溉場中的用問(wèn)題。通過GAMBIT前處理軟(ruǎn)件建立管道及流(liu)量計的物理模型(xíng)，并利用FLUENT進行管道(dao)内水動的仿真計(jì)算。選取等值面觀(guān)察管道内溉體的(de)速度、壓力等物理(li)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(fèn)的場分布均勻，而(er)管道轉彎處的場(chǎng)由于壓力的作用(yòng)，産生了非對稱場(chang)。靠近彎管道内徑(jìng)的水産生了高速(sù)場，明顯高于外徑(jìng)的水速度。因此要(yao)在彎管部分進行(hang)多點測量，以修正(zhèng)流量計在非對稱(chēng)流場中的測量準(zhun)度。
　　随着近些年來(lái)我國流量測量水(shuǐ)平的發展，越來越(yuè)多種類的流量計(ji)廣泛應用于各種(zhǒng)行業。其中，作爲電(diàn)磁流量計中一個(gè)種類的插入式電(dian)磁流量計，由于其(qí)自身結構的輕巧(qiǎo)，安裝拆卸便捷，相(xiàng)比制造費用較高(gao)，安拆與維修都很(hen)不便的普通電磁(ci)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(dà)口徑管道的流量(liang)檢測中。在國際上(shàng)，由于目前能源與(yu)環保計量方面的(de)需求越來越大，如(rú)機械、化學工業污(wū)水流量的測量等(děng)，各國家發展插入(rù)式流量計已經成(chéng)爲一種趨勢。
　　我國(guo)的插入式電磁流(liu)量計的研究還在(zai)上升；對于測量精(jing)度的提高和實物(wu)的改進還有着很(hěn)大的提升空間，尤(you)其是在管道排布(bu)複雜、彎管多、角度(du)大的工業現場，即(ji)在非對稱流場下(xià)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(lǐ)同樣是基宇法拉(la)第電磁感虛定律(lǜ)。通過對目标流場(chǎng)内某一點流速的(de)測，經過一系列計(jì)算推導後，得出整(zheng)個目标流場的平(píng)均流速。所以說插(cha)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(zhi)于XOY面方向插人管(guǎn)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(lā)第電磁感應定律(lü)可知，磁場中會産(chan)生電動勢E=BD`n表示管(guan)道橫截面平均流(liu)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(hang)如下推倒後得：

　　可(kě)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(ji)可以通過流量計(jì)對電信号的捕捉(zhuo)來實現對流場流(liú)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(fen)，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(shou)先進行仿真的前(qián)處理，即運用 GAMBIT幾何(he)建模，之後對所建(jiàn)模進行網格的劃(hua)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(páng)真計算。
2.2後處理FLUENT仿(pang)真計算
　　求解計算(suàn)有以下幾個步驟(zhòu)：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(jiàn)，求解方法及其控(kòng)制，叠代計算，檢查(cha)保存并分析仿真(zhēn)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(dù)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(yi)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(cha)看結果，通過圖1可(ke)以看出圓管内的(de)速度值程同心圓(yuan)分布，越靠近中心(xin)處速度越大，在靠(kào)近管壁的區域，速(sù)度幾乎爲零。管道(dào)内的流速穩定正(zheng)常。

3.1.2插入式電(dian)磁流量計後的圓(yuán)管流動仿真
　　管道(dao)模型依然選取半(ban)徑0.1m，長4m的圓管， 流量(liàng)計 算模型爲半徑(jing)2cm的圓柱體。跟管道(dào)和流量計相比，電(diàn)極很小，對流場造(zao)成影響可以忽略(lue)不計，因此在建模(mó)時可以忽略電極(jí)，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(yong)GAMBIT建模劃分網格，其(qí)中在體網格的劃(huà)分上Element選擇Hex，Type選擇Cooper。管(guan)道模型最終劃分(fen)成的網格如圖3所(suo)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(yì)求解器定水的流(liú)速設置爲1m/s。叠代計(jì)算後，輸出結果圖(tu)組。

　　由于(yu)三維模型的計算(suàn)結果不方便查看(kàn)，所以通過創建電(dian)極所在的等值面(mian)來觀察電極所在(zai)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(zhí)線及雲圖。選擇速(su)度雲圖放大觀察(cha)，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(shi)候，兩側的電極周(zhou)圍的流場受圓柱(zhù)繞流影響，産生了(le)高速流場，水流無(wú)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(fèn)離，産生尾渦流區(qu)。尾渦區在一定程(chéng)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(chǎng)産生一定幹擾，因(yin)此需要采用機械(xie)工藝方面的設計(jì)對其自身物理結(jie)構進行改良。
3.2非對(duì)稱流場彎管道中(zhōng)的仿真模拟
3.2.1非對(duì)稱流場彎管道中(zhōng)水流動的模拟
　　根(gen)據之前直菅水流(liu)場的模拟可知，在(zài)直管中水流是均(jun1)勻穩定的。而管道(dao)相互連接的彎管(guan)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(bu)分與之前的尺寸(cùn)不變，彎管處采用(yòng)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(tiao)件後求解。

　　叠(die)代計算後，觀察輸(shū)出的速度雲圖和(hé)壓力雲圖，如圖6和(hé)圖7所示。可以看出(chū)彎管處出現了壓(yā)力降，内徑速度明(míng)顯大于外徑。再通(tong)過放大的速度矢(shǐ)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(zhú)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(yi)說彎管部分的流(liú)場是不均勻的，是(shi)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(jing)下，長直管較少，短(duan)直管居多，然而接(jie)近彎管處的流體(ti)分布是不對稱拟(ni)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(xuǎn)取不同的點進行(háng)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(liú)量計模型，進行多(duo)次測量，除了流量(liàng)計插入位置其餘(yu)物理量保持不變(bian)。
　　劃分網格，網格類(lei)型選擇六面體Hex,劃(huà)分方法設置爲Cooper即(jí)把整個模型體依(yī)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(tiáo)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(biān)默認爲壁面WALL。輸出(chu)網格，導入FLUENT求解器(qì)進行求解。
　　由于現(xian)場實際情況中，工(gong)業管道會按照現(xian)場需要進行安置(zhì)排布，即橫向豎向(xiàng)多角度轉彎，管内(nèi)流體是湍流流動(dong)，流場基本上是不(bu)定常的，因此在定(ding)義求解器時，要用(yong)非穩态的求解器(qi)進行模拟計算，即(ji)在Time選項中選擇非(fei)定常Unsteady。其他計算模(mó)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(dìng)義管道内的流體(tǐ)材料，本次仿真實(shí)驗使用液态水爲(wei)管道内的流體。在(zài)材料下拉列表中(zhong)選擇，water-liquid（h20<1>）邊界條件，inlet入(ru)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(xuǎn)項分别輸入5和0.04。
設(she)置求解參數，初始(shi)化及殘差圖後，保(bǎo)存文件進行叠代(dài)計算。
　　叠代計算後(hou)，殘差圖均呈收斂(lian)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(zài)靠近彎管入口處(chu)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(zai)内徑的速度大于(yu)外徑，流量計兩側(ce)産生告訴流場，兩(liang)側電極可以檢測(ce)到明顯的信号，但(dan)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(wei)部速度幾乎爲零(líng)。
再觀察流量計在(zai)靠近彎管出口處(chù)0.1m的輸出結果組圖(tu)，如如10、圖11所示。


　　流量(liàng)計的尾渦區對水(shui)流出彎後的直管(guǎn)部分流場有一定(dìng)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(yòng)存在量差，并且速(su)度要略大于入口(kou)處。
　　經過以上對比(bi)實驗證明，需要在(zai)彎道入口及出口(kǒu)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(fēi)對稱條件下測速(su)的理想修正函數(shu)。
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(xian)收斂狀态。通過對(dui)輸出圖組的觀察(chá)分析，基本準備模(mó)拟出管道中的流(liú)場分布，同事得出(chu)插入式電磁流量(liang)計對流場分布影(ying)響。
（2）由于工業現場(chǎng)幻想彎管道居多(duō)而長直管較少，因(yīn)此在實際測量時(shi)考慮到非對稱流(liú)場對流量計測量(liang)精度影響，需要在(zai)靠近彎道的不同(tóng)點進行測量以修(xiū)正測量結果，保證(zhèng)精度。
（3）由于圓柱型(xing)的流量計的尾流(liu)對所測流場穩定(ding)性有一定影響，可(kě)以通過機械工藝(yì)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(xing)。

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