摘要(yào)：采用Fluent軟件對圓(yuan)形截面漸變爲(wèi)矩形截面的異(yi)徑🧡管🈲道流場✂️進(jìn)行蘭維建模和(he)數值仿真，分析(xī)了橫截面收縮(suō)異徑管的速度(dù)🌈分布和流線，建(jian)立了矩形截面(miàn)部分的長度、寬(kuān)度、高度與進出(chū)口壓力損失和(hé)中心截面平均(jun)速度之間的關(guān)系.研究表明，中(zhong)間矩形截面部(bù)分的寬度和高(gao)度對進出口壓(ya)損和中心👅截面(mian)平均速度影響(xiang)較大，同時橫截(jie)面積收縮比例(lì)太大會導❄️緻流(liu)場紊亂和回流(liú)現象，從而爲合(hé)理設❗計局部橫(héng)截面積收☂️縮的(de)電磁流量測🔴量(liang)管道提供了理(li)論依據.
　　目前國(guó)内生産的電磁(cí)流量計 測量管(guǎn)道多爲均勻圓(yuán)管，應用領域越(yuè)來越廣.然而電(dian)磁流量計在原(yuan)理上要求管道(dao)流速爲中心軸(zhou)對稱分布，這樣(yàng)，具有均😍勻磁🍉場(chǎng)和點電極的電(dian)磁流量計的輸(shu)出信号與流速(su)成正;同時電磁(ci)流量計在低流(liu)速的小流量測(cè)量時，可靠性和(hé)精度都🔴不太理(li)想.所以，如何在(zài)低流速小流量(liang)下實現流量的(de)精确測🥵量和低(dī)功耗設計成爲(wèi)人們關注的熱(rè)點[1-2J爲了适應低(dī)功耗設📐計要求(qiu)，目前在電磁流(liu)量計的勵磁方(fāng)式、管道結構、硬(yìng)件電路🌈和電極(jí)形狀等方面進(jìn)行了不斷改進(jin)并取得了不同(tóng)程度的進展.
　　對(duì)于異徑管道，目(mù)前國内的相關(guan)文獻較少.主要(yao)是通過在原來(lái)圓形橫截面管(guan)道的基礎上增(zēng)加縮徑圓管，再(zài)采用小口徑傳(chuan)統電磁流量計(ji)對增速的流㊙️量(liang)進行☀️測量[町，以(yi)提高測量精度(du).Heijnsdijk[7J等把🏃縮徑作爲(wei)電磁流量計🧡管(guǎn)道結構的一部(bu)分，并設計了💋不(bu)同形狀的中間(jian)管道截面.Korsunskii[町等(děng)證明對于矩形(xing)📐截面管道，電極(jí)上的感應信号(hao)不依賴于流速(sù)分布.Lim[9J對傳統的(de)電磁流量計❤️進(jìn)行改進，設計了(le)長方體管道結(jié)構和磁場結構(gou)，分析了矩形電(diàn)極的權重函數(shu)🤞分🌈布.
　　橫截面積(jī)局部收縮爲矩(jǔ)形的電磁流量(liàng)測量管道内的(de)速度分😄布、壓力(lì)損失和流動特(tè)性進行Fluent仿真，欲(yù)爲合理的電磁(cí)流量計管道結(jie)構設計提供一(yi)定依據.
1電磁流(liú)量計原理
　　電磁(cí)流量計是一種(zhǒng)根據法拉第電(dian)磁感應定律來(lai)測💯量👣導電液體(ti)體積流量的儀(yí)表.其勵磁線圈(quān)将磁場施加給(gěi)被測流體，從而(ér)♈通過檢測磁場(chang)中運動流體的(de)感應電動♌勢并(bing)進行相應的信(xìn)号處理來實現(xian)流量的準📱确測(ce)量。
對于圓形管(guan)道電磁流量計(ji)，輸出信号電壓(ya)爲:
E=B×`n×D(1)
式中:E爲感應(ying)電動勢，B爲磁感(gan)應強度，`n爲運動(dong)平均速㊙️度，D爲兩(liang)電極之間的距(ju)離(對于圓形管(guǎn)道，D爲測量管内(nei)徑).
假設管道的(de)橫截面積爲A，流(liu)量爲q，則(1)式爲:

在(zai)建立電磁流量(liang)計這個基本方(fang)程的過程中作(zuò)了🏃‍♀️如下🐇假設；
1)流(liu)體磁導率μ均勻(yún)，且等于真空中(zhōng)磁導率，即流體(tǐ)是🐆非磁🔆性的;
2)流(liú)體的電導率均(jun1)勻，并滿足Ohm定律(lǜ);
3)流體中位移電(diàn)流可忽略;
4)磁場(chang)在無限大範圍(wei)内，磁感應強度(du)B是均勻分布;
5)充(chong)分發展流，對圓(yuan)管而言呈軸對(duì)稱分布.
　　式(1)表明(míng)感應電動勢正(zheng)比于平均流速(su).但當流體的流(liú)速很🔞低時，産生(shēng)的感應電動勢(shì)很小，難以同噪(zao)聲進行區分，緻(zhì)使測量誤差增(zēng)大.因此，限制了(le)電磁流👨‍❤️‍👨量計的(de)測量下限，對儀(yí)表的靈敏度、穩(wěn)🐉定性和可靠✌️性(xìng)産生影響.異徑(jing)管設計要求在(zài)不改變原流場(chǎng)特性的條件下(xia)，适當縮徑以增(zēng)加流速來📱提高(gāo)測量靈敏度.而(er)矩形截面管道(dào)相對于圓形截(jie)面管道♉，電極上(shang)的感應♍信号不(bú)依賴于管道橫(heng)截面的流速分(fèn)布[12J?Bevir[13J證明在磁場(chǎng)均勻和電極形(xing)狀爲矩形的條(tiao)件下，這種依賴(lài)性很小，可忽略(lue)不計.
電磁流量(liàng)計的勵磁電路(lu)，線圈臣數N，勵磁(cí)電流I，磁通勢F爲(wei):

　　由(7)式可知，磁感(gan)應強度B與勵磁(ci)電流成正比，與(yǔ)磁路的🌈平均長(zhǎng)度L成反比.對于(yu)相同勵磁電路(lù)、相同兩電❌極之(zhī)間距離D和相等(děng)管道🧑🏽‍🤝‍🧑🏻橫截面積(ji)的圓管和矩形(xing)💘管，矩形管的高(gāo)🚩度h小于🙇‍♀️圓管直(zhí)♋徑D.假設磁路與(yǔ)管道😄之間的距(ju)👨‍❤️‍👨離爲hw，管道💃橫截(jie)面積爲圓形和(he)矩形的磁路平(píng)均長度L分别爲(wèi)h+2hw和D+2hw·因此，勵磁電(diàn)流相同時矩形(xíng)管道磁感應🏃🏻強(qiang)度大于圓形管(guǎn)道的磁感應強(qiáng)度.若🌂需要得到(dào)相同磁感應強(qiang)度B，矩形截面管(guǎn)道所需勵磁電(dian)流較小，可提高(gao)電磁流量計的(de)低功耗特性.
2模(mó)型仿真
2.1模型的(de)建立與網格的(de)劃分

2.2Fluent内部參(cān)數設置
　　對Fluent中的(de)各參數設置如(rú)下:模型求解方(fāng)法選擇默認❌設(she)🤟置的🍉非搞合求(qiu)解方法;定義流(liú)體的物理性質(zhì)爲水;選用k-f.揣🙇🏻流(liú)模型[15J初始流☂️速(su)0.1m/s和5m/s，水力直徑50mm，Yi白(bái)流強度分别爲(wei)❄️5.5%和3.38%.
3仿真結果分(fen)析
3.1異徑管道流(liú)場分布
　　對局部(bù)矩形橫截面的(de)異徑管道，在矩(jǔ)形部分長度80mm，寬(kuan)度38mm，高度🔞20mm，管道總(zong)長200mm的條件下采(cai)用Fluent軟件進行流(liú)場仿真，管道初(chū)始🚩流速分别爲(wei)0.1m/s低流速和5m/s最大(da)流速.其壓損和(hé)✔️中心截面平均(jun1)速度如表1:

　　表1指(zhi)出低流速0.1m/s時異(yì)徑管道中間流(liu)速增加2.58倍，提高(gāo)📱了測量靈敏度(du)和精确度.初始(shǐ)流速5m/s時，其壓力(lì)損失🌂符合冷水(shuǐ)水表的檢定規(guī)程[1叫額定工作(zuò)條件下的👣最大(da)壓力損失應不(bú)超過0.063MPa.中間流速(su)也🌈增加2.58倍爲12.9m/s，仍(reng)在傳統電磁流(liú)量計的測量範(fan)圍内，但更⭕大初(chu)始流速可能會(hui)超出測量範圍(wei).因此，應根據💋使(shi)用條件合理設(she)計管道㊙️尺寸.圖(tu)2、圖3(其中X、Y軸坐标(biao)單位均爲m;速度(dù)單位爲m/s)和圖4表(biǎo)明異徑長方體(ti)管道✉️的流場特(te)性穩🐕定，設計長(zhang)方體異徑管道(dao)電磁流量計具(ju)有可行性🤟.



3.2異徑管道流場(chǎng)畸變
　　對橫截面(miàn)由圓形漸變爲(wèi)矩形的異徑管(guǎn)道，在矩形截面(mian)部🌈分🌏長度80mm，寬度(du)20mm，高度5mm，管道總長(zhang)度爲200mm的設定條(tiao)件下⚽采用Fluent軟件(jiàn)進行流場仿真(zhen)，管道初始流速(su)0.1m/s.進出口壓損1903.8014Pa，中(zhōng)心截面平均速(su)度2.4529221m/s,增加24.5倍.根🚩據(ju)圖5、圖6可知，如果(guo)矩形♻️截面部分(fèn)的高度和寬度(dù)壓縮太大會導(dao)緻回流現象，同(tóng)時異徑管的出(chū)口壓力相對于(yu)進口⭐壓力小太(tai)多，出🏃現漸擴管(guǎn)有嚴重的揣流(liú)現象，流場變化(huà)較大.


3.3異徑管道(dào)橫截面積收縮(suō)部分不同長度(du)的影晌
　　對橫截(jie)面由圓形漸變(biàn)爲矩形的異徑(jìng)管道，在矩形截(jie)面💘部分寬度38mm，高(gāo)度20mm，長度爲100~40mm，以步(bu)長10mm變化，管道總(zǒng)長200mm的條件下采(cai)用Fluent軟件進行流(liu)場仿真.管道人(ren)口初始流速設(shè)定爲O.1m/s.仿真結果(guo)如表2.異徑管長(zhang)度方向上的壓(yā)力損失由沿程(cheng)壓力損失引起(qǐ)，差别較🆚小，中心(xin)截面平均速度(du)基本保持不變(biàn).

3.4異徑管道橫截(jie)面積收縮部分(fen)不同寬度的影(yǐng)響
　　對橫截面由(yóu)圓形漸變爲矩(jǔ)形的異徑管道(dao)，在矩形🔞截面🌈部(bu)分長♌度80mm，高度20mm，寬(kuan)度爲48~20mm，以步長2mm變(biàn)化，管道總長200mm的(de)條件下采用Fluent軟(ruǎn)件進行流場仿(páng)真，管道人口初(chū)始流速設定爲(wei)0.1m/s.得壓損和中心(xin)截面平均速度(dù)分布如圖7.寬度(dù)越小壓力損失(shi)越大，但中心截(jié)面🌏平均速度也(ye)越大，随着寬度(du)的減小，壓損和(hé)中心截面平均(jun)速🈲度增幅增大(da)🛀.

3.5異徑管(guǎn)道橫截面積收(shou)縮部分不同高(gao)度的影晌
　　對橫(héng)截面由圓形漸(jian)變爲矩形的異(yi)徑管道，在矩形(xíng)截面部分長度(du)80mm，寬度50mm，高度爲30~8mm，以(yǐ)步長2mm變化，管道(dào)總長200mm的條🔞件下(xià)采用Fluent軟件仿真(zhen)其流場分布，管(guǎn)道人口初始流(liú)速O.1m/s.得壓損和中(zhōng)心截面平均速(su)度分布如圖8.高(gāo)度越小壓力損(sun)失越大，且中心(xīn)截面平均速度(dù)也越大.随着高(gāo)度的減小，壓損(sǔn)🛀和中心截面平(píng)均速度增🚶幅增(zēng)大.

4結語(yu)
　　對橫截面由圓(yuán)形漸變爲矩形(xing)的異徑電磁流(liu)量計管道進行(hang)🥵了三維模拟仿(páng)真.縮徑矩形截(jié)面部分流體流(liú)速增🙇🏻加且流速(sù)在管道橫截面(miàn)上分布均勻，有(you)利于低流速小(xiǎo)流量的精确測(ce)量.矩形截面部(bu)分的寬度和高(gāo)度對進出🔴口壓(yā)損和中心截面(mian)平均速度影響(xiang)較大.矩形截面(mian)異徑💰管感應電(diàn)動勢與磁感應(ying)強度B成正比，與(yǔ)🈲矩形橫截面的(de)高度h成反比，由(yóu)此高度h越小越(yuè)好.但當高度相(xiang)對于圓形人口(kǒu)的通徑D收縮較(jiao)大時，漸擴管中(zhōng)會出現明顯的(de)揣流和空穴現(xiàn)象，因此收縮比(bǐ)例不能太大.采(cai)用具有局部收(shōu)縮的矩形截面(miàn)的測量管道可(ke)提高電磁流量(liang)計的勵磁效率(lǜ)和傳感器輸出(chu)信号的幅度，有(you)利于實現電磁(ci)🈚流量計的低功(gōng)耗設計.
　　研究結(jie)果可知，設計橫(héng)截面由圓形漸(jian)變爲矩形的異(yì)徑管🆚道電🌐磁流(liú)量計具有可行(hang)性，理論上并不(bu)存❌在管♉道尺寸(cùn)，具體的管道尺(chi)寸則根據不改(gai)變原流場特性(xing)太多、流體速度(dù)範圍和壓力損(sun)🔴失等要求來決(jué)定.相對于圓形(xing)截面管道，橫🤟截(jié)面由圓🌈形漸變(biàn)爲👉矩形的異徑(jing)管道電磁流量(liàng)計還具有磁場(chang)均勻、與❗流速分(fen)布無🔴關、低功耗(hào)等優點.

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