【摘要】通過ICEMCFD軟(ruǎn)件将局部截(jie)面變爲橢圓(yuán)形的異徑導(dao)☁️流筒進🏃🏻‍♂️行了(le)三維建模，使(shi)用Fluent對不同入(rù)口速度下的(de)流線場與🌈速(su)度分布進行(hang)✏️仿真計算，建(jiàn)立了不同結(jié)✉️構的導流筒(tong)所适用的速(sù)度範圍.結果(guǒ)表明，速度的(de)大小和橢圓(yuán)截面離心率(lü)對流場産生(shēng)的影響較大(da)🔞.當速度減小(xiǎo)或離心率變(bian)🏃🏻‍♂️大時，導流筒(tǒng)尾部漸擴管(guǎn)💘容易發生回(hui)🏃🏻‍♂️流，緻使流場(chang)紊亂.本研究(jiū)能爲橢圓形(xing)管道電磁流(liu)量計💯的結構(gòu)設計提供參(cān)考方案，爲設(shè)計合理的導(dao)流筒提供理(li)論依據.
　　電磁(cí)流量計 是工(gong)業過程中用(yong)于計量導電(diàn)性流體體積(jī)流量的儀表(biǎo)［1］，當前國内使(shi)用大多電磁(ci)流量計爲圓(yuan)形截面導流(liú)筒.然而，電磁(ci)流量計對被(bèi)測管道内的(de)流場有一定(dìng)的要求，流場(chang)的不穩定會(huì)👉使得流量計(jì)示值不穩定(ding)，緻使🛀🏻測量誤(wu)差加大［2－3］.爲了(le)解決這些問(wèn)題，本文提出(chu)橢圓形截面(mian)管道設計方(fāng)案.
　　針對橫截(jie)面爲不同離(lí)心率橢圓形(xing)的導流筒，對(dui)在不同👣入口(kǒu)速度下流場(chǎng)的流動性與(yu)速度分布進(jin)行Fluent仿真，欲爲(wèi)合理⭐的導流(liú)筒🌈提供理論(lun)依據.
1異徑管(guǎn)結構的電磁(ci)理論分析
　　電(diàn)磁流量計是(shì)基于法拉第(dì)電磁感應定(ding)律而開發的(de)🥰計量🔞儀表［8］.通(tong)電後的勵磁(cí)線圈在導流(liú)筒垂直方位(wèi)産👅生磁感應(yīng)強度🛀🏻爲Ｂ的工(gōng)作磁場，待導(dǎo)電流體穿過(guò)時，在液體兩(liang)側産生✍️感應(ying)電動勢Ｅ，通🚶過(guò)對相應的電(dian)動勢進行信(xìn)号處理而實(shi)現體積流量(liang)的準确測量(liàng).感應電動勢(shi)大小爲
Ｅ＝ＢＶＤ.（1）
　　式（1）中(zhong)：Ｂ爲工作磁場(chang)中的磁感應(yīng)強度；Ｖ爲導電(dian)液體流速；Ｄ爲(wèi)測量🔴導管内(nèi)徑.
　　導電流體(tǐ)的速度Ｖ與工(gong)作磁場内的(de)磁感應強度(dù)Ｂ都是有💃🏻方向(xiàng)性的矢量，但(dan)各質點的速(su)度爲非均勻(yun)分布，當流體(tǐ)的流速很小(xiao)時，會産生很(hen)小感應電動(dong)勢，與噪音混(hun)合後🤩使得測(ce)量誤差增大(da)，從🌈而影響到(dào)設備的穩定(dìng)性和可靠性(xing).其中Ｅ的數值(zhi)由電極測量(liang)，單位時間内(nèi)管道流量計(ji)算公式爲

　　在(zài)電磁流量計(jì)的勵磁線圈(quan)中，電流爲Ｉ，匝(zā)數爲Ｎ，穿過工(gong)作區🐆域☀️的磁(cí)路長度均值(zhi)爲Ｌ，可得磁阻(zǔ)Ｒm與磁通勢Ｆ爲(wèi)

　　式中Ｓ爲磁路(lù)的平均面積(jī)，μ爲介質磁導(dao)率.由磁場歐(ou)姆定🚶‍♀️律［9］可得(de)磁通量f

　　由（6）式(shi)可知，磁感應(yīng)強度Ｂ與磁路(lù)長度平均值(zhí)Ｌ成反比，與🌈通(tong)過勵磁線圈(quan)的電流Ｉ成正(zheng)比.相比起均(jun1)勻的圓形管(guan)道，橢圓導流(liú)筒内的工作(zuo)磁場縮小了(le)Ｌ值，在産生同(tóng)等‼️磁感應強(qiang)度Ｂ的條件下(xià)，勵磁線圈中(zhōng)的電流将小(xiǎo)于前🈲者，從而(er)可降低電磁(cí)流量計的功(gong)耗.
2Fluent模型建立(li)與參數設置(zhi)
　　使用ICEMCFD建立橢(tuǒ)圓截面導流(liu)筒的模型.導(dao)流筒的中間(jian)部㊙️分爲橢圓(yuán)😘管，兩側均爲(wei)橢圓形漸變(biàn)爲圓形的漸(jian)擴管.導流👈筒(tǒng)半長軸與Ｘ軸(zhóu)平行，長度35mm，半(ban)短軸與Ｙ軸平(ping)行，長度28mm，短長(zhǎng)半軸之比爲(wèi)4/5，橢圓離心率(lü)爲0.60，長88mm.兩端漸(jiàn)擴管最外側(ce)圓形的半徑(jìng)爲50mm，各🍉長81mm.導流(liú)筒❄️總長250mm.該模(mo)㊙️型的對象爲(wei)在中間直管(guǎn)段具有均勻(yún)磁場分布的(de)🔆橢圓截面管(guǎn)道的電磁流(liu)量計将導流(liú)筒兩端分别(bié)定義爲出口(kǒu)與出口.流體(ti)在入口邊界(jie)以固定速度(du)🔞垂直與入口(kou)邊界流入，在(zài)出口邊界自(zi)由流出，忽略(lue)重力.定義其(qí)他區域爲壁(bì)面，最後以四(sì)面體結構對(dui)模型進行網(wǎng)格劃分，如圖(tú)1所示.單元格(ge)數量爲204萬，網(wǎng)格質量評價(jia)系數爲：0.65～0.70（2.5%）；0.70～0.90（8.6%）；0.90～1.0（86.2%）.該三(sān)維模型網格(ge)質量能夠滿(mǎn)足精度和收(shōu)斂要求.文中(zhong)其它結構的(de)三維模型網(wǎng)💃格，其類型✊與(yǔ)上述一緻，網(wǎng)格質量❗基本(běn)相👨‍❤️‍👨同.

　　設置模型爲(wèi)ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模型［10］，模(mó)拟對象爲液(ye)體水，仿真将(jiang)以入口流速(sù)分别爲小流(liú)速0.1m/ｓ、0.3m/ｓ與大流速(su)5.0m/ｓ的條件下進(jin)行.
3速度場仿(pang)真結果分析(xi)
　　以不同進口(kou)速度對該結(jie)構導流筒進(jin)行流場仿真(zhēn)，求解❌後使♍用(yong)軟件提取數(shù)據.由于磁場(chǎng)方向平行于(yú)Ｙ軸，故圖2至圖(tu)15是在選💰取了(le)與Ｙ軸垂直的(de)ＸＯＺ坐标平面，并(bìng)觀察速度雲(yun)與流線分布(bu)圖，計算結果(guo)如下.
3.1小流速(su)下的仿真分(fen)析
　　取流入速(sù)度爲0.1m/ｓ、0.3m/ｓ，設置仿(pang)真計算的叠(die)代步數爲300，過(guo)程中💔分🐅别💞在(zai)第211步、第186步時(shí)計算結果收(shou)斂，流量計流(liú)道區域内可(kě)♊視爲📞穩态的(de)定常流動.管(guan)内速度雲圖(tu)如圖2、圖3，流線(xiàn)圖如🐕圖4、圖5.


　　由(you)圖2、圖3可知，在(zai)進口速度爲(wei)0.1m/ｓ與0.3m/ｓ條件下，速(sù)度雲圖無明(míng)顯差别🏃，平面(mian)直管段的速(sù)度分布的上(shang)下對稱性較(jiao)高，靠管壁速(su)度小，中間大(da)，出口流體向(xiang)兩側流動，中(zhōng)間區流速小(xiao).

　　如(rú)圖4、圖5，當入口(kǒu)速度爲0.1m/ｓ時，末(mò)端發生回流(liú)現象，但中間(jiān)直管段🍓流場(chang)平穩，沒有受(shou)到尾部回流(liu)影響.當初始(shi)速度增加爲(wei)0.3m/ｓ時尾部的回(huí)流減弱.
3.2大流(liú)速下的仿真(zhēn)分析
　　設置進(jìn)口速度爲5.0m/ｓ，設(she)置仿真計算(suan)的叠代步數(shu)爲300，過程中在(zai)第96步計算結(jie)果受斂，可視(shì)爲定常流動(dong).速度雲圖如(rú)圖6.

　　中間直管(guan)段内靠管壁(bi)處速度小，中(zhong)間大，速度分(fèn)布的㊙️上下對(dui)稱性較高.在(zài)圖7中，當流速(su)增加爲5.0m/ｓ時，中(zhong)間直管👉段與(yu)尾部漸擴管(guan)的流場非常(cháng)平穩，無回流(liu)現象.

　　綜合圖(tú)4、圖5、圖7可見，随(suí)着流體速度(dù)增加，回流減(jiǎn)弱.綜合🈲3.1與3.2，流(liú)道域内均爲(wèi)穩态的定常(cháng)流動，且流場(chang)平穩，速度分(fen)布對稱性較(jiào)高，故該結構(gòu)的電磁流量(liàng)計在大小流(liú)速條件🌍下的(de)使㊙️用均是可(kě)行的.
4離心率(lü)對流場的影(yǐng)響
4.1離心率爲(wei)0.8
　　中間橢圓截(jié)面直管段短(duǎn)長半軸之比(bǐ)爲3/5，離心率0.8.分(fen)别⭐定🌏義⛱️入口(kǒu)速度爲0.1m/ｓ、5.0m/ｓ，在此(ci)條件下使用(yòng)Fluent進行模拟計(ji)算，過✨程中分(fen)别在第263步、192步(bu)時計算結果(guǒ)收斂，可視爲(wei)定常流動.結(jié)果如圖8至圖(tú)10.


　　入口速度爲(wèi)0.1m/ｓ時（圖8、圖9），中間(jiān)直管段内靠(kao)近但不接觸(chù)管壁的🐆位置(zhi)流速大，中間(jiān)小.速度分布(bu)的上下對稱(cheng)性較🏃‍♂️高，流道(dao)域尾部🌈出現(xiàn)😘回流現象，但(dàn)中間直管端(duān)的流場依然(rán)平穩.當入口(kǒu)速度增加至(zhi)5.0m/ｓ時（圖10、圖11），中間(jian)直管段内速(su)度分布基本(běn)均勻，尾部回(huí)流😍消失，流場(chǎng)🐇整體平穩.

　　縮徑(jìng)爲0.8離心率的(de)橢圓截面電(diàn)磁流量計在(zai)初始流速爲(wèi)0.1m/ｓ與🏃‍♂️5.0m/ｓ條件下均(jun1)爲穩态流動(dong)，速度分布對(duì)稱，直管内流(liu)場平👣穩，那⭐麽(me)該結構導流(liu)筒的電磁流(liú)量計在✏️大小(xiǎo)流速條件☀️下(xià)的使用均是(shi)可行的.
4.2離心(xin)率爲0.916
　　半長軸(zhóu)長35mm，半短軸長(zhǎng)14mm，短長半軸之(zhī)比2/5，離心率0.916.分(fèn)别設置♋入口(kǒu)速度在0.1m/ｓ、5.0m/ｓ的條(tiao)件下通過Fluent進(jin)行模拟仿真(zhen)，設置計算叠(dié)代步數🌈爲1000，過(guo)程中各點的(de)速度值随時(shi)間産生無規(guī)律變化，無法(fa)收斂.圖11至🐉圖(tú)14爲步數等于(yu)1000時瞬時結果(guǒ)的✉️抓取.

　　由圖(tú)12、圖13可知，當入(rù)口速度爲0.1m/ｓ時(shi)，導流筒内速(sù)度分布無明(ming)顯🌈規律，存在(zai)較大的流場(chang)畸變.因爲導(dǎo)流筒兩側産(chan)✂️生的感應電(diàn)動勢與流速(sù)成正比，且流(liu)量計是根據(ju)流速值計算(suan)出一定時間(jian)🈚内通過管道(dào)的體積🈲流量(liàng)，所以在非穩(wen)态☀️流場條件(jiàn)下流量計檢(jian)測到的是大(dà)小搖擺♈不定(dìng)的感應電動(dòng)勢，爲體積流(liú)量的計算造(zao)成許多不确(que)定因素，還降(jiang)低了計量精(jīng)度.
　　設置流入(rù)速度爲5.0m/ｓ，計算(suan)過程中第117步(bu)收斂，流場可(kě)視爲😄達到穩(wen)定狀态.如圖(tú)14、圖15所示，流場(chǎng)分布平穩，中(zhong)間直管段内(nei)速度場分布(bu)基✍️本均勻，與(yu)其它結構導(dǎo)流筒在該速(su)度下的分布(bu)無明顯區别(bié).綜合圖12至圖(tú)15可💔知，截面離(li)心率變爲0.916時(shi)的導流😍筒在(zài)入口⁉️速度增(zēng)大到一定值(zhi)後，流場穩定(dìng).

5不同結構導(dao)流筒所适應(yīng)的速度區間(jiān)
　　在完成不同(tong)結構導流筒(tǒng)在小流速與(yǔ)大流速情況(kuang)下的仿真之(zhī)後，對入口流(liú)速分别爲0.03m/ｓ、0.5m/ｓ、0.8m/ｓ、1m/ｓ、3m/ｓ的(de)條件下進行(háng)模拟計算♋.以(yi)流場速度分(fen)布爲判據，得(dé)出了不同結(jié)構橢圓🔞管所(suo)适應的速度(du)區間.由表1可(kě)🌈知：截面離心(xīn)率爲0.600和0.800的橢(tuǒ)圓形導流筒(tǒng)的速度均适(shì)用于大流速(sù)與小流速，而(ér)截面離心率(lǜ)⭐爲0.916的導流筒(tǒng)卻不适用于(yu)🤞小流量的條(tiao)件，當該結構(gou)導流🈲筒的入(rù)口流速達到(dao)0.8m/ｓ及以上時💃，内(nei)部流場分布(bù)才被接受.雖(suī)橢圓變扁，磁(cí)路長度平均(jun)值Ｌ減小🈲，緻使(shi)所需勵磁電(diàn)流Ｉ減小，降低(dī)了設備功耗(hao)，但縮徑量🤞過(guò)大會犧牲測(cè)速量程，導緻(zhi)量程下限升(shēng)高，小流量的(de)狀态下不再(zai)适用.

6結論
本(běn)文針對局部(bù)變爲橢圓形(xing)截面的異徑(jìng)導流筒進行(háng)了模拟仿真(zhēn)計算.得出結(jié)論如下：
1）減小(xiao)磁路長度平(ping)均值Ｌ，在産生(sheng)同等磁感應(ying)強度Ｂ的條件(jiàn)下，可減小勵(lì)磁線圈的電(diàn)流Ｉ，從而提升(shēng)流量計的靈(ling)敏度，降低功(gōng)耗.
2）當橢圓離(lí)心率增大到(dào)一定值時，尾(wěi)部漸擴管便(bian)會出現明顯(xian)的回流現象(xiàng)，緻使流量計(ji)量程下限升(sheng)高，不再🏃‍♂️适用(yòng)于低速計量(liàng).
3）入口速度對(dui)管内速度場(chang)的影響頗爲(wèi)重要，大流速(su)在導流筒各(ge)部位的流場(chǎng)較平穩，小流(liú)速則容易發(fa)🐇生回流現♌象(xiàng)，随🈚着入口速(su)度降低，回流(liu)更顯著.
4）離心(xin)率爲0.8的橢圓(yuán)截面導流筒(tǒng)可最大條件(jian)下滿足🚶‍♀️縮徑(jing)和流場要求(qiu)，該尺寸适合(hé)在流量計中(zhong)使用.

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