摘要(yào)：采用Fluent軟件(jiàn)對圓形截(jié)面漸變爲(wei)矩形截面(mian)的異徑管(guan)道流場進(jìn)行蘭維建(jiàn)模和數值(zhi)仿真，分析(xi)了橫截面(miàn)收縮異徑(jing)管的速度(du)☂️分布和流(liú)線，建立了(le)矩形截面(mian)部🌐分的長(zhang)度、寬度🏃、高(gao)度與❗進出(chu)口壓力損(sǔn)失和中心(xīn)截面♌平均(jun)速度🌈之間(jiān)的關系.研(yán)究表明，中(zhōng)間矩形截(jie)面部分的(de)寬度和高(gao)度對進出(chu)口壓損和(hé)中心截面(mian)平均速度(du)影響較大(dà)，同時橫截(jié)面積收縮(suō)比例太大(da)會導♌緻流(liu)場紊亂和(hé)回流現象(xiàng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，從而爲合(he)理設✊計局(ju)部橫截面(miàn)積收縮的(de)電磁流量(liang)測量管道(dào)提供了理(lǐ)論依據.
　　目(mu)前國内生(shēng)産的電磁(cí)流量計 測(ce)量管道多(duo)爲均勻圓(yuán)管，應用領(lǐng)域越來越(yuè)廣.然而電(dian)磁流✉️量計(jì)在原理上(shang)要求管道(dao)流速爲中(zhōng)心軸對稱(cheng)分布，這樣(yang)，具有均勻(yún)磁場和點(diǎn)電極的電(diàn)磁流量計(ji)的輸出信(xìn)号與流速(su)成正;同時(shi)電磁流量(liang)計在低👣流(liu)速的小流(liú)量測量時(shi)，可靠性和(he)精度都不(bu)太理想㊙️.所(suǒ)以，如何在(zài)低流速小(xiǎo)流量下實(shí)現流量的(de)精确測👣量(liang)和低功耗(hao)🏃🏻‍♂️設計成爲(wei)人們關注(zhù)的熱點[1-2J爲(wei)了适應低(di)功耗設計(jì)要求㊙️，目前(qian)在電磁流(liú)量計的勵(li)磁方式💯、管(guǎn)道結構、硬(ying)件電路和(hé)電極形狀(zhuang)等方面進(jin)行了不⚽斷(duan)改進并取(qǔ)得了不同(tóng)程度的進(jìn)展.
　　對于異(yì)徑管道，目(mu)前國内的(de)相關文獻(xian)較少.主要(yao)是通🆚過在(zai)原來🐪圓形(xíng)橫截面管(guan)道的基礎(chǔ)上增加縮(suō)徑🈲圓管，再(zài)采用小口(kou)徑傳統電(dian)磁流量計(jì)對增速的(de)流量進行(háng)♌測量[町，以(yi)提高測量(liàng)精度.Heijnsdijk[7J等把(bǎ)縮徑作爲(wèi)電磁流量(liang)計管道結(jie)構的一部(bù)分，并設計(ji)了不同形(xíng)狀的中間(jiān)管道截面(miàn).Korsunskii[町等證明(ming)對于矩形(xíng)截面管道(dao)，電極上的(de)感應信🍉号(hào)不依賴于(yu)流速分布(bù).Lim[9J對傳統的(de)電磁流量(liang)計進行改(gai)🌈進，設計❗了(le)長方體管(guǎn)道結構和(hé)磁場結構(gou)，分析了矩(jǔ)形電極的(de)權重函數(shù)分📱布.
　　橫截(jie)面積局部(bu)收縮爲矩(jǔ)形的電磁(ci)流量測量(liàng)管道内的(de)速度👨‍❤️‍👨分🌈布(bù)、壓力損失(shī)和流動特(te)性進行Fluent仿(páng)真，欲😍爲合(hé)理的✂️電磁(cí)流量計管(guǎn)道結構設(she)計提供一(yi)定依據.
1電(diàn)磁流量計(ji)原理
　　電磁(cí)流量計是(shì)一種根據(jù)法拉第電(dian)磁感應定(dìng)律來測🈲量(liàng)🌐導電液體(tǐ)體積流量(liang)的儀表.其(qi)勵磁線圈(quān)将磁場施(shi)加給被測(ce)流體，從而(er)通過檢測(ce)磁場中運(yun)動流體的(de)感應電動(dòng)勢并進行(háng)相應的信(xin)号🔅處理來(lái)實現流量(liang)的準确測(cè)量。
對于圓(yuán)形管道電(diàn)磁流量計(ji)，輸出信号(hào)電壓爲:
E=B×`n×D(1)
式(shì)中:E爲感應(ying)電動勢，B爲(wèi)磁感應強(qiáng)度，`n爲運動(dòng)平均速度(dù)，D爲兩電極(jí)之間的距(ju)離(對于圓(yuan)形管道，D爲(wèi)測量管内(nei)徑).
假設管(guan)道的橫截(jie)面積爲A，流(liu)量爲q，則(1)式(shì)爲:

在建立(li)電磁流量(liàng)計這個基(jī)本方程的(de)過程中作(zuò)了🈲如下假(jiǎ)設；
1)流體磁(ci)導率μ均勻(yún)，且等于真(zhēn)空中磁導(dao)率，即流體(tǐ)是非磁性(xing)的;
2)流體的(de)電導率均(jun)勻，并滿足(zu)Ohm定律;
3)流體(tǐ)中位移電(dian)流可忽略(lue);
4)磁場在無(wu)限大範圍(wéi)内，磁感應(ying)強度B是均(jun1)勻分布;
5)充(chōng)分發展流(liú)，對圓管而(ér)言呈軸對(dui)稱分布.
　　式(shi)(1)表明感應(ying)電動勢正(zhèng)比于平均(jun1)流速.但當(dāng)流體的流(liu)速很低🤟時(shi)，産生的感(gan)應電動勢(shì)很小，難以(yi)同噪聲🔞進(jin)行區分，緻(zhì)使測量😄誤(wù)差增大.因(yin)此，限制了(le)電磁流量(liàng)計的測量(liang)下🚶限，對儀(yi)表的靈敏(min)度、穩定性(xing)和可靠😍性(xìng)産生影🌐響(xiǎng).異徑管設(she)計要求在(zai)不改變原(yuan)流場特性(xìng)的條件下(xia)，适當縮徑(jìng)以增加流(liú)速來提高(gāo)測量靈敏(mǐn)度.而矩形(xíng)截面管道(dào)相對于圓(yuán)形截面管(guan)道，電極🏃🏻上(shang)的感應信(xìn)号不🏃🏻‍♂️依賴(lài)于管道橫(héng)截面的流(liu)速分布👌[12J?Bevir[13J證(zhèng)明在磁場(chang)均勻和電(diàn)極形狀爲(wèi)矩形的條(tiao)件下，這種(zhong)依賴性很(hěn)小，可忽略(lue)💋不計.
電磁(ci)流量計的(de)勵磁電路(lù)，線圈臣數(shu)N，勵磁電流(liú)I，磁通勢F爲(wei):

　　由(7)式可知(zhī)，磁感應強(qiang)度B與勵磁(cí)電流成正(zhèng)比，與磁路(lu)的🚩平均長(zhang)度⭐L成反比(bǐ).對于相同(tong)勵磁電路(lù)、相同兩電(dian)🔞極之☂️間距(ju)離D和相等(děng)管道橫截(jié)面積的圓(yuan)管和矩形(xíng)😘管，矩形管(guǎn)的高度h小(xiao)于圓管直(zhi)🈲徑D.假設磁(ci)路與管道(dào)之間的距(ju)離爲hw，管道(dào)橫截面積(ji)爲圓形和(he)矩形的磁(cí)♌路平均長(zhang)度L分别爲(wèi)h+2hw和D+2hw·因此，勵(li)磁電流相(xiàng)同時矩形(xíng)管道磁感(gǎn)應強度大(dà)于圓形管(guǎn)道的磁感(gan)應強度.若(ruò)需要得到(dao)相同磁感(gǎn)應強度B，矩(jǔ)形截📐面管(guǎn)道所需勵(lì)磁❓電流較(jiào)小，可提高(gāo)電磁流量(liang)計的低功(gōng)耗特性.
2模(mó)型仿真
2.1模(mo)型的建立(li)與網格的(de)劃分

2.2Fluent内(nèi)部參數設(she)置
　　對Fluent中的(de)各參數設(shè)置如下:模(mo)型求解方(fang)法選擇默(mò)認設置的(de)非‼️搞合求(qiu)解方法;定(dìng)義流體的(de)物理性質(zhì)爲水;選用(yòng)k-f.揣流模型(xíng)[15J初始流速(su)0.1m/s和5m/s，水力直(zhí)徑50mm，Yi白流強(qiang)度分别爲(wei)5.5%和3.38%.
3仿真結(jie)果分析
3.1異(yì)徑管道流(liu)場分布
　　對(duì)局部矩形(xing)橫截面的(de)異徑管道(dao)，在矩形部(bù)分長度80mm，寬(kuān)度38mm，高度20mm，管(guan)道總長200mm的(de)條件下采(cai)用Fluent軟件進(jin)行流場仿(pang)真，管道👌初(chū)始流速分(fen)别爲0.1m/s低流(liú)速和5m/s最大(dà)流速.其♻️壓(ya)損和中心(xīn)截面平均(jun1)速度如表(biao)1:

　　表1指出低(dī)流速0.1m/s時異(yì)徑管道中(zhōng)間流速增(zēng)加2.58倍，提高(gāo)了測量✏️靈(líng)敏度和精(jing)确度.初始(shi)流速5m/s時，其(qi)壓力損失(shi)符合冷水(shuǐ)水表的檢(jiǎn)✉️定規程[1叫(jiào)額定工作(zuo)條件下的(de)最大壓力(lì)損失❤️應不(bu)超過0.063MPa.中間(jiān)流速也增(zēng)加2.58倍爲12.9m/s，仍(reng)✊在傳統電(diàn)磁流量計(ji)的測量範(fan)圍内，但更(gèng)大初始流(liu)速可能會(huì)超出測量(liàng)範圍.因此(cǐ)，應根據❤️使(shǐ)用條件合(he)🐇理設計管(guan)道🔴尺寸.圖(tú)2、圖3(其中X、Y軸(zhóu)坐标單位(wei)均爲m;速度(du)單位爲m/s)和(hé)圖4表明異(yì)徑長👨‍❤️‍👨方體(ti)管道🚶的流(liu)場特性穩(wěn)定，設計長(zhang)方體異徑(jing)管道電磁(ci)流量計具(ju)有可行性(xìng).



3.2異徑(jing)管道流場(chang)畸變
　　對橫(héng)截面由圓(yuan)形漸變爲(wèi)矩形的異(yi)徑管道，在(zài)矩形截面(mian)部分長度(du)80mm，寬度20mm，高度(dù)5mm，管道總長(zhang)度爲200mm的設(she)定條件下(xia)采用Fluent軟件(jiàn)進行流場(chang)仿真，管道(dào)初始流速(su)0.1m/s.進出口壓(yā)損🈲1903.8014Pa，中心截(jié)♻️面平均速(sù)度2.4529221m/s,增加24.5倍(bèi).根據圖5、圖(tu)6可知💋，如果(guo)矩形截面(miàn)部分的高(gāo)度和寬度(dù)壓縮太大(da)會導緻回(huí)流現象，同(tóng)時異徑管(guan)的出口壓(yā)力相對于(yú)進口🏒壓力(li)小太多，出(chū)現漸擴管(guan)有嚴重的(de)揣流現象(xiàng)，流場變化(hua)較大☔.


3.3異徑(jing)管道橫截(jié)面積收縮(suō)部分不同(tóng)長度的影(yǐng)晌
　　對橫截(jié)面由圓形(xing)漸變爲矩(ju)形的異徑(jìng)管道，在矩(jǔ)形截面部(bù)㊙️分寬度38mm，高(gao)度20mm，長度爲(wei)100~40mm，以步長10mm變(bian)化，管道總(zǒng)長200mm的條件(jiàn)下🔞采用Fluent軟(ruan)件進行流(liu)場仿真.管(guǎn)道人口初(chu)始流速設(she)定爲O.1m/s.仿真(zhen)結果如表(biao)2.異⁉️徑管長(zhang)♻️度方向上(shàng)的☂️壓力損(sǔn)失由沿程(cheng)壓力損失(shi)引起，差别(bie)較小，中心(xin)截🏒面平均(jun)速度基本(ben)保持不變(biàn).

3.4異徑管道(dào)橫截面積(jī)收縮部分(fèn)不同寬度(du)的影響
　　對(dui)橫截面由(yóu)圓形漸變(biàn)爲矩形的(de)異徑管道(dào)，在矩形截(jie)面部分長(zhǎng)度80mm，高度20mm，寬(kuan)度爲48~20mm，以步(bù)長2mm變化，管(guǎn)道總長200mm的(de)條件下采(cai)用Fluent軟件進(jin)行流場仿(páng)真，管道人(ren)口初始💚流(liu)速設定爲(wei)0.1m/s.得壓損和(he)🌂中心截面(miàn)平均速度(dù)分布如圖(tu)7.寬度越小(xiǎo)壓力損失(shi)越大，但🌂中(zhōng)心截面平(ping)均速度也(yě)越大，随着(zhe)寬度的減(jian)小，壓損和(he)中心截面(miàn)平均速度(dù)增幅增大(da).

3.5異徑管(guan)道橫截面(miàn)積收縮部(bu)分不同高(gāo)度的影晌(shǎng)
　　對橫截面(mian)由圓形漸(jian)變爲矩形(xíng)的異徑管(guǎn)道，在矩形(xíng)截面部分(fèn)長度80mm，寬度(dù)50mm，高度爲30~8mm，以(yi)步長2mm變化(huà)，管道總長(zhǎng)200mm的條件下(xià)采用Fluent軟件(jiàn)仿真其流(liú)場分布，管(guan)道人口初(chū)始流速O.1m/s.得(de)壓損和中(zhōng)心截面平(píng)🔞均速度🤞分(fèn)布如圖8.高(gao)度越小壓(yā)力損失越(yuè)大，且中心(xin)截面平均(jun)速度也越(yuè)🍉大.随着高(gāo)度的減小(xiao)，壓損😍和中(zhong)心截面平(ping)均速度增(zeng)幅增大.

4結語
　　對橫(heng)截面由圓(yuan)形漸變爲(wei)矩形的異(yì)徑電磁流(liú)量計管道(dào)進行了三(sān)維模拟仿(páng)真.縮徑矩(jǔ)形截面部(bu)分流🚶‍♀️體流(liú)速增加且(qiě)🥰流速在管(guan)道橫截面(miàn)上分布均(jun1)勻，有利于(yu)低流速小(xiǎo)✂️流量的精(jīng)确測量.矩(ju)形🐉截面部(bù)分的🐇寬度(du)和高度對(dui)進出口壓(yā)損和🍉中心(xin)截面平均(jun)速度影響(xiang)較大.矩🈲形(xing)截面異徑(jìng)管感應電(dian)動勢與磁(cí)感應強度(dù)B成正比，與(yu)矩形橫截(jié)面的高度(du)h成反比，由(yóu)此高度h越(yue)小越好.但(dàn)當高度相(xiang)對于圓形(xíng)♌人口的通(tōng)徑D收㊙️縮🐇較(jiao)大時，漸擴(kuò)管中㊙️會出(chū)現明顯的(de)揣流和空(kong)穴現象，因(yīn)此收縮比(bǐ)例不能太(tai)大.采用具(jù)有局部收(shōu)縮的🐆矩形(xing)截面的測(ce)量管道可(ke)提高電磁(ci)流量計的(de)勵磁✔️效率(lü)和傳感器(qì)輸出信号(hao)🌈的幅度，有(yǒu)利于實現(xian)電磁🙇‍♀️流量(liang)計的低功(gōng)耗設計.
　　研(yán)究結果可(kě)知，設計橫(héng)截面由圓(yuán)形漸變爲(wei)矩形的異(yì)徑管道電(diàn)磁流量計(ji)具有可行(háng)性，理論上(shàng)并不存🥵在(zài)管✨道尺寸(cùn)，具體的管(guǎn)道尺寸則(zé)根據不改(gǎi)變原流場(chang)特性太多(duō)、流體速度(dù)範圍和🈲壓(ya)力損失等(deng)要求來決(jué)定.相對于(yú)圓形截面(miàn)管道，橫截(jie)面由圓形(xíng)漸變爲矩(jǔ)形的異徑(jing)管道電磁(ci)流量計還(hái)具有磁場(chǎng)均勻、與流(liú)速分布無(wú)關🏃‍♀️、低功耗(hào)等優點.

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