【摘(zhai)要】通過ICEMCFD軟件将局(jú)部截面變爲橢圓(yuán)形的異徑導流💔筒(tǒng)進🌈行了三維建模(mó)，使用Fluent對不同入口(kou)速度下的👉流線場(chang)與速度🙇‍♀️分布🏃🏻‍♂️進行(háng)仿真計算，建立了(le)不同結構的導流(liú)筒所适用的速度(du)範圍.結果⁉️表明，速(su)度的大小和橢圓(yuán)截面離心率對流(liu)場産生的👈影響較(jiao)大.當速度減小或(huo)離心率變大時，導(dao)流筒尾部漸擴管(guan)✏️容易發生回流，緻(zhì)使流場紊亂.本研(yan)究能爲橢圓形✂️管(guan)道電磁流量計的(de)結構設計提供參(cān)考方案，爲設計合(he)理的導流筒提✊供(gong)理論依據.
　　電磁流(liú)量計 是工業過程(chéng)中用于計量導電(dian)性流體體積流量(liàng)的🌐儀🤩表［1］，當前☎️國内(nèi)使用大多電磁流(liu)量計爲圓形截面(mian)導流筒.然而，電磁(cí)流量計對被測管(guǎn)道内的流場有一(yi)定的✉️要求，流場的(de)不💛穩定會✏️使得流(liú)量計示值不穩定(dìng)，緻使測量誤差加(jiā)大［2－3］.爲了解決這些(xiē)問題，本文提出橢(tuǒ)圓形截面管道設(shè)計方案.
　　針對橫截(jie)面爲不同離心率(lü)橢圓形的導流筒(tong)，對在👈不同入口速(su)度下流場的流動(dong)性與速度分布進(jin)行Fluent仿真，欲爲合理(lǐ)💔的導流筒🌈提供理(li)論依據.
1異徑管結(jie)構的電磁理論分(fen)析
　　電磁流量計是(shi)基于法拉第電磁(ci)感應定律而開發(fā)的計量儀表［8］.通電(dian)後的勵磁線圈在(zai)導流筒垂直方位(wèi)産生磁感應強度(du)爲Ｂ的工作磁場，待(dài)導電流體穿過時(shi)，在液體兩側産生(sheng)感應電動勢Ｅ，通過(guò)對相應的電動勢(shì)進行信号處理而(er)實現體積流量的(de)準确測🈲量.感應電(diàn)動勢大小爲
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
　　式（1）中(zhōng)：Ｂ爲工作磁場中的(de)磁感應強度；Ｖ爲導(dǎo)電液體流⭕速；Ｄ爲測(cè)量導管内徑.
　　導電(diàn)流體的速度Ｖ與工(gong)作磁場内的磁感(gan)應強度Ｂ都是有方(fāng)向性✍️的矢量，但各(gè)質點的速度爲非(fei)均勻分布，當流體(ti)的流速很🐅小時，會(hui)産生很小感應電(dian)動勢，與噪音混合(he)後使得測🐇量誤差(cha)🛀🏻增大，從♻️而影響到(dao)設🚶備的穩定性和(he)可靠性.其中Ｅ的數(shu)值由電極測量，單(dan)位時間内管道流(liú)量計算🧑🏽‍🤝‍🧑🏻公式爲

　　在(zai)電磁流量計的勵(lì)磁線圈中，電流爲(wei)Ｉ，匝數爲Ｎ，穿過工作(zuo)區🔱域的磁路長度(du)均值爲Ｌ，可得磁阻(zu)Ｒm與磁通勢💃🏻Ｆ爲

　　式中(zhong)Ｓ爲磁路的平均面(miàn)積，μ爲介質磁導率(lü).由磁場歐㊙️姆定律(lü)［9］可得❤️磁通量f

　　由（6）式(shi)可知，磁感應強度(dù)Ｂ與磁路長度平均(jun)值Ｌ成反比，與通過(guò)勵磁線圈的電流(liu)Ｉ成正比.相比起均(jun)勻的圓形管道，橢(tuo)😘圓導流筒内的工(gong)作磁場縮小了Ｌ值(zhi)，在産生同等磁感(gan)應強度Ｂ的條件下(xià)，勵磁線圈中的電(diàn)流❤️将小于前者，從(cong)而可降低電磁流(liu)量計的功耗.
2Fluent模型(xing)建立與參數設置(zhì)
　　使用ICEMCFD建立橢圓截(jie)面導流筒的模型(xing).導流筒的中間部(bu)分✔️爲橢圓管，兩側(cè)均爲橢圓形漸變(biàn)爲圓形的漸👨‍❤️‍👨擴管(guǎn).導流筒半長軸與(yu)Ｘ軸平行，長度35mm，半短(duǎn)軸與Ｙ軸平行，長度(dù)28mm，短長半軸之比爲(wei)4/5，橢圓離心率❌爲0.60，長(zhang)88mm.兩端漸✏️擴管最外(wài)側圓形的半徑爲(wei)50mm，各長81mm.導流筒總長(zhang)250mm.該模‼️型的對象爲(wei)在中間直管段具(jù)有均勻磁場分布(bù)的㊙️橢圓截面管道(dào)🏃‍♂️的電磁流量計将(jiāng)導流筒兩端分别(bié)✂️定義爲出口與出(chū)口.流體在入口邊(biān)界以固定速度🌈垂(chui)🔅直與入口邊界流(liú)🏒入，在出口邊界自(zì)由流出，忽略重力(li).定義其他區域爲(wei)壁面，最後以四面(mian)體結構對👄模型進(jin)行網格劃分，如圖(tú)1所示.單元格數☁️量(liàng)爲204萬，網格質量評(ping)價🌂系數爲：0.65～0.70（2.5%）；0.70～0.90（8.6%）；0.90～1.0（86.2%）.該三維(wéi)模型網格質量能(neng)夠滿足精度和收(shōu)斂要求.文中其它(ta)結構的三維模型(xing)網格，其類型與上(shàng)述一緻，網格質量(liang)基本相同.

　　設置模型(xíng)爲ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模型［10］，模拟(nǐ)對象爲液體水，仿(páng)真将以入口流速(sù)分别爲小流速0.1m/ｓ、0.3m/ｓ與(yu)大流速5.0m/ｓ的條件下(xia)進行.
3速度場仿真(zhen)結果分析
　　以不同(tong)進口速度對該結(jié)構導流筒進行流(liú)場仿真，求💋解🏃🏻後使(shǐ)用軟件提取數據(ju).由于磁場方向平(píng)行于Ｙ軸，故圖2至🔞圖(tú)15是在選取了與Ｙ軸(zhóu)垂直的ＸＯＺ坐标平面(mian)，并觀察速度雲與(yu)流線分🔅布圖，計算(suan)結果🐪如下.
3.1小流速(sù)下的仿真分析
　　取(qǔ)流入速度爲0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設置(zhi)仿真計算的叠代(dai)步數爲300，過程中分(fèn)别在🐕第211步、第186步時(shí)計算結果收斂，流(liú)量計流道🌍區域内(nei)可視爲穩态的定(ding)常流動.管内速度(dù)雲圖如圖2、圖3，流線(xiàn)圖如圖4、圖5.


　　由(yóu)圖2、圖3可知，在進口(kou)速度爲0.1m/ｓ與0.3m/ｓ條件下(xia)，速度雲圖無‼️明顯(xian)差别，平面直管段(duàn)的速度分布的上(shang)下對稱性較高，靠(kào)管✍️壁速度小，中間(jiān)大，出口流體向兩(liang)側流動🔴，中間區流(liu)速小🍓.

　　如圖4、圖5，當入(ru)口速度爲0.1m/ｓ時，末端(duan)發生回流現象，但(dan)中間🚩直管🐅段流場(chang)平穩，沒有受到尾(wei)部回流影響.當初(chū)始速度增加爲0.3m/ｓ時(shi)尾部的⭐回流減弱(ruò).
3.2大流速下的仿真(zhēn)分析
　　設置進口速(sù)度爲5.0m/ｓ，設置仿真計(jì)算的叠代步數爲(wei)300，過程⚽中在🐇第96步計(ji)算結果受斂，可視(shì)爲定常流動.速度(dù)雲圖如圖🧑🏾‍🤝‍🧑🏼6.

　　中間(jian)直管段内靠管壁(bi)處速度小，中間大(da)，速度分布的上下(xia)對稱性較高.在圖(tu)7中，當流速增加爲(wèi)5.0m/ｓ時，中間直管段與(yǔ)尾部漸擴管的流(liu)場非常平穩，無回(huí)流現象.

　　綜合圖4、圖(tú)5、圖7可見，随着流體(ti)速度增加，回流減(jian)弱.綜合㊙️3.1與3.2，流道域(yu)内均爲穩态的定(ding)常流動，且流場平(píng)穩，速度🔆分布🐇對稱(chēng)性較高，故該結構(gou)的電磁流量計在(zài)大小流速條件🔞下(xia)的使用均是可行(hang)的.
4離心率對流場(chǎng)的影響
4.1離心率爲(wei)0.8
　　中間橢圓截面直(zhi)管段短長半軸之(zhi)比爲3/5，離心率0.8.分别(bie)定義🔱入口速度爲(wèi)0.1m/ｓ、5.0m/ｓ，在此條件下使用(yòng)Fluent進行模拟計算，過(guo)程中㊙️分别在第263步(bù)、192步時計算結果收(shou)斂，可視爲定常流(liú)動.結果如圖8至圖(tú)10.


　　入口速度爲0.1m/ｓ時(shi)（圖8、圖9），中間直管段(duan)内靠近但不接觸(chu)管壁的位置流速(sù)大，中間小.速度分(fèn)布的上下對稱性(xìng)較高，流道域尾部(bù)出現回流現象，但(dan)中間直管端的流(liú)場依然平穩.當入(rù)口速度增加至5.0m/ｓ時(shí)（圖10、圖11），中間直管段(duan)内速度分布🤞基本(ben)均勻，尾部回流消(xiāo)失，流場整體平穩(wen).

　　縮徑爲0.8離心率的(de)橢圓截面電磁流(liú)量計在初始流速(su)👈爲0.1m/ｓ與5.0m/ｓ條件下均爲(wei)穩态流動，速度分(fen)布對稱，直管内流(liu)場平穩，那麽該結(jie)構💰導流筒的電磁(cí)流量計在大小流(liú)速條件😍下的使用(yong)均是可行的.
4.2離心(xin)率爲0.916
　　半長軸長35mm，半(bàn)短軸長14mm，短長半軸(zhóu)之比2/5，離心率0.916.分别(bié)設置入✔️口😄速度在(zai)0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的條件下通過Fluent進(jin)行模拟仿真，設置(zhì)計算叠代步數爲(wèi)1000，過程中各點的速(su)度值随時間産🛀生(sheng)無規律變化，無法(fǎ)收✨斂.圖11至圖14爲步(bù)數等于1000時瞬時結(jié)果的抓取.

　　由圖12、圖(tú)13可知，當入口速度(dù)爲0.1m/ｓ時，導流筒内速(sù)度分布無明顯規(gui)律，存在較大的流(liu)場畸變.因爲導流(liu)筒兩🐕側産生的⁉️感(gǎn)應電動勢與👉流速(sù)成正比，且流量計(ji)是根據流速值計(jì)算出一定時間内(nei)通過管道的體積(ji)流量，所以🈲在非穩(wen)态流場條件下流(liu)量計🙇‍♀️檢測到的🔞是(shì)大小搖擺不定的(de)感應電動勢，爲體(tǐ)積流量的計算造(zao)成許多不确定因(yīn)素，還降低了計量(liang)精度.
　　設置流入速(su)度爲5.0m/ｓ，計算過程中(zhong)第117步收斂，流場可(ke)視爲達到穩定狀(zhuàng)态.如圖14、圖15所示，流(liú)場分布平穩，中間(jiān)直管👄段内速度場(chang)分布基本均勻，與(yu)其它結構導流🐆筒(tong)在該♌速度下的分(fèn)布無明顯區别.綜(zong)合圖12至圖15可知，截(jie)面離🔞心率變爲0.916時(shí)的導流✍️筒在入口(kou)速度增大到一定(ding)值後🏃‍♀️，流場穩定.

5不(bú)同結構導流筒所(suo)适應的速度區間(jiān)
　　在完成不同結構(gou)導流筒在小流速(su)與大流速情況🛀🏻下(xia)的仿真之後，對入(ru)口流速分别爲0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的(de)條件下進行模拟(nǐ)計算.以流場速度(dù)分布爲判據，得出(chū)了不同結構橢圓(yuan)管所适應的速度(dù)區間.由表1可😍知：截(jie)面離心率爲0.600和0.800的(de)橢圓形導流筒的(de)速度均适用于大(da)流速與小流速，而(er)🌂截面離心率爲0.916的(de)導流筒卻不适用(yòng)于小流量的條件(jian)，當該結構導流♉筒(tǒng)的入口流速達到(dào)0.8m/ｓ及以上時，内部流(liu)場分布才被接受(shòu).雖橢圓變扁，磁🌏路(lu)長度平均值Ｌ減小(xiao)，緻使所需勵磁電(diàn)流Ｉ減小，降低了設(she)備功耗，但縮徑量(liang)過大會犧牲測速(sù)量程，導緻量程下(xià)限升高，小流量的(de)狀态下不再适用(yòng).

6結論
本文針對局(ju)部變爲橢圓形截(jié)面的異徑導流筒(tǒng)進行🌈了模拟仿👉真(zhēn)計算.得出結論如(rú)下：
1）減小磁路長度(du)平均值Ｌ，在産生同(tong)等磁感應強度Ｂ的(de)條件下，可💜減小勵(lì)磁線圈的電流Ｉ，從(cong)而提升流量計的(de)靈💘敏度，降低功耗(hao)🔞.
2）當橢圓離心率增(zēng)大到一定值時，尾(wěi)部漸擴管便會出(chu)現明顯的回流現(xian)象，緻使流量計量(liàng)程下限升高，不再(zài)适用于低速計量(liàng).
3）入口速度對管内(nei)速度場的影響頗(po)爲重要，大流速在(zài)導流筒各部位的(de)流場較平穩，小流(liú)速則容易發⁉️生回(hui)🆚流現象，随♍着入口(kou)速度降低，回流更(geng)顯著.
4）離心率爲0.8的(de)橢圓截面導流筒(tǒng)可最大條件下滿(mǎn)足縮🌂徑和流場要(yào)求，該尺寸适合在(zai)流量計中使用.

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