插入式電磁流量計(jì)在非對稱流場的應(yīng)用 發(fā)布時(shí)間：2018-07-26
摘要：文中主要研究插入式電磁流量計(jì)在非對稱溉場中的用問題。通過GAMBIT前處理軟件建立管道及流量計(jì)的物理模型，并利用FLUENT進(jìn)行管道內(nèi)水動(dòng)的仿真計(jì)算。選取等值面觀察管道內(nèi)溉體的速度、壓力等物理量的云圖，失量圖等可視化圖像。通過圖像分析得出結(jié)論，直管道部分的場分布均勻，而管道轉(zhuǎn)彎處的場由于壓力的作用，產(chǎn)生了非對稱場。靠近彎管道內(nèi)徑的水產(chǎn)生了高速場，明顯高于外徑的水速度。因此要在彎管部分進(jìn)行多點(diǎn)測量，以修正流量計(jì)在非對稱流場中的測量準(zhǔn)度。 隨著近些年來我國流量測量水平的發(fā)展，越來越多種類的流量計(jì)廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。其中，作為電磁流量計(jì)中一個(gè)種類的插入式電磁流量計(jì)，由于其自身結(jié)構(gòu)的輕巧，安裝拆卸便捷，相比制造費(fèi)用較高，安拆與維修都很不便的普通電磁流量計(jì)而言具有非常大的優(yōu)勢，從而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的機(jī)械工業(yè)大口徑管道的流量檢測中。在國際上，由于目前能源與環(huán)保計(jì)量方面的需求越來越大，如機(jī)械、化學(xué)工業(yè)污水流量的測量等，各國家發(fā)展插入式流量計(jì)已經(jīng)成為一種趨勢。 和美國、日本、德國等擁有多年流量計(jì)研究經(jīng)驗(yàn)的國家相比，我國的插入式電磁流量計(jì)的研究還在上升；對于測量精度的提高和實(shí)物的改進(jìn)還有著很大的提升空間，尤其是在管道排布復(fù)雜、彎管多、角度大的工業(yè)現(xiàn)場，即在非對稱流場下的應(yīng)用還需做深入探討。文中利用GAMBIT軟件構(gòu)建工業(yè)管道和插入式電磁流量計(jì)的物理模型，再通過FLUENT軟件對管道內(nèi)的流體流量進(jìn)行仿真模擬，選取工業(yè)現(xiàn)場中最佳的測量點(diǎn)來提高所研究插入式電磁流量計(jì)的測量精度。 １插入式電磁流量計(jì)的工作原理 與普通的電磁流量計(jì)原理相同，插入式電磁流量計(jì)的測量原理同樣是基宇法拉第電磁感虛定律。通過對目標(biāo)流場內(nèi)某一點(diǎn)流速的測，經(jīng)過一系列計(jì)算推導(dǎo)后，得出整個(gè)目標(biāo)流場的平均流速。所以說插入式電磁流量計(jì)是一種點(diǎn)流速的了流量計(jì)。 以管道流速測量為例，測量流場時(shí)，將流量計(jì)以平行Ｚ軸，垂直于XOY面方向插人管遒內(nèi)部，感應(yīng)電極位位于流量計(jì)尾端兩側(cè)，與水流方向保持垂直，且同屬XOY面。水流流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，磁場中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢E=BD`n表示管道橫截面平均流速。 ?? 流量Q=`n A,其中，A表示管道的橫截面積，為定值常數(shù)，進(jìn)行如下推倒后得： 可知感應(yīng)電．動(dòng)勢E和流量Q是線性關(guān)系，與流場內(nèi)其他變化的物埋無關(guān)。即可以通過流量計(jì)對電信號(hào)的捕捉來實(shí)現(xiàn)對流場流量的檢測。 2 數(shù)值計(jì)算方法 ?? FLUEST軟件主要包括前處理器GAMBIT和后赴理器FLUEST兩部分，二者相輔相成，缺一不可。 ２．１前處理GAMBIT建模 仿真計(jì)算前，首先進(jìn)行仿真的前處理，即運(yùn)用 GAMBIT幾何建模，之后對所建模進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和生成，誰知完邊界條件后輸出mesh文件。把mesh文件導(dǎo)入到FLUENT中進(jìn)行流體仿真計(jì)算。 2.2后處理FLUENT仿真計(jì)算 求解計(jì)算有以下幾個(gè)步驟：檢查導(dǎo)入模型的網(wǎng)格，選擇計(jì)算模定義流體材料性質(zhì)，設(shè)置邊界條件，求解方法及其控制，迭代計(jì)算，檢查保存并分析仿真結(jié)果。?? ３數(shù)值模掀仿真與結(jié)果分析 3.1對稱流場直管道中的仿真模擬 3.1.1圓管流動(dòng)仿真 首先在GAMBIT中簡歷半徑0.1m，長度4m的長直圓管物理模型采用六面體網(wǎng)格劃分管道模型，如圖1所示。 定義邊界條件后輸出mesh文件，啟動(dòng)FLUENT仿真計(jì)算。 迭代計(jì)算后，查看結(jié)果，通過圖1可以看出圓管內(nèi)的速度值程同心圓分布，越靠近中心處速度越大，在靠近管壁的區(qū)域，速度幾乎為零。管道內(nèi)的流速穩(wěn)定正常。 3.1.2插入式電磁流量計(jì)后的圓管流動(dòng)仿真 管道模型依然選取半徑0.1m，長4m的圓管，流量計(jì)算模型為半徑2cm的圓柱體。跟管道和流量計(jì)相比，電極很小，對流場造成影響可以忽略不計(jì)，因此在建模時(shí)可以忽略電極，簡化幾何結(jié)構(gòu)。流量計(jì)起阻擋水流作用。管道及流量計(jì)建立模型圖如圖2所示。 運(yùn)用GAMBIT建模劃分網(wǎng)格，其中在體網(wǎng)格的劃分上Element選擇Hex，Type選擇Cooper。管道模型最終劃分成的網(wǎng)格如圖3所示。定義水流的入口及出口，流量計(jì)模型位于左側(cè)水流入口處1m位置。導(dǎo)入FLUENT求解計(jì)算。定義求解器定水的流速設(shè)置為1m/s。迭代計(jì)算后，輸出結(jié)果圖組。 由于三維模型的計(jì)算結(jié)果不方便查看，所以通過創(chuàng)建電極所在的等值面來觀察電極所在區(qū)域周圍的流場，選取Z=0.06m平面來輸出壓力和速度等值線及云圖。選擇速度云圖放大觀察，如圖4所示。 根據(jù)選取面放大后的速度云圖觀察可以看出，水流流經(jīng)流量計(jì)的時(shí)候，兩側(cè)的電極周圍的流場受圓柱繞流影響，產(chǎn)生了高速流場，水流無法很好地貼合流量計(jì)后半段壁面流動(dòng)，致使流速減小，邊界層出現(xiàn)分離，產(chǎn)生尾渦流區(qū)。尾渦區(qū)在一定程度上破壞了周圍流場的穩(wěn)定性。 由于傳統(tǒng)型插入式電磁流量計(jì)的自身形狀不可避免的會(huì)對所測流場產(chǎn)生一定干擾，因此需要采用機(jī)械工藝方面的設(shè)計(jì)對其自身物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良。 3.2非對稱流場彎管道中的仿真模擬 3.2.1非對稱流場彎管道中水流動(dòng)的模擬 根據(jù)之前直菅水流場的模擬可知，在直管中水流是均勻穩(wěn)定的。而管道相互連接的彎管部分其內(nèi)部的流動(dòng)會(huì)引起很大的壓力降，對流體流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處后的速度也會(huì)有一定的影響。 保持直管部分與之前的尺寸不變，彎管處采用半徑4倍管徑即0.4m的90°彎管。簡歷物理模型，如圖5所示，劃分網(wǎng)格，設(shè)定邊界條件后求解。 迭代計(jì)算后，觀察輸出的速度云圖和壓力云圖，如圖6和圖7所示。可以看出彎管處出現(xiàn)了壓力降，內(nèi)徑速度明顯大于外徑。再通過放大的速度矢量圖可以看出，轉(zhuǎn)彎處的內(nèi)徑高速水流沿外徑流出，并且速度下降逐漸恢復(fù)轉(zhuǎn)彎錢的速度，出彎后的內(nèi)徑部分幾乎無流速，經(jīng)過一定管長后恢復(fù)勻速。 ?? 所以說彎管部分的流場是不均勻的，是非對稱流場。 3.2.2插入式電磁流量計(jì)后的彎管流動(dòng)仿真 ?? 在多數(shù)現(xiàn)場環(huán)境下，長直管較少，短直管居多，然而接近彎管處的流體分布是不對稱擬合流場，這與對稱流場下的多點(diǎn)流速泄露及數(shù)據(jù)分析會(huì)有較大出入，因此在彎管部分的檢測要重新選取不同的點(diǎn)進(jìn)行檢測。 ?? 保留上一小節(jié)中彎管道物理模型不變，以水流流向作參考，在靠近彎管入口和出口0.1m處分別插入流量計(jì)模型，進(jìn)行多次測量，除了流量計(jì)插入位置其余物理量保持不變。 劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型選擇六面體Hex,劃分方法設(shè)置為Cooper即把整個(gè)模型體依據(jù)2指定的源面來劃分，設(shè)置網(wǎng)格步長Space為3.設(shè)定邊界條件，管道入口選擇VEOCITY，水流速設(shè)定為1m/s，出口選擇OUTFLOW，其余各邊默認(rèn)為壁面WALL。輸出網(wǎng)格，導(dǎo)入FLUENT求解器進(jìn)行求解。 ? 由于現(xiàn)場實(shí)際情況中，工業(yè)管道會(huì)按照現(xiàn)場需要進(jìn)行安置排布，即橫向豎向多角度轉(zhuǎn)彎，管內(nèi)流體是湍流流動(dòng)，流場基本上是不定常的，因此在定義求解器時(shí)，要用非穩(wěn)態(tài)的求解器進(jìn)行模擬計(jì)算，即在Time選項(xiàng)中選擇非定常Unsteady。其他計(jì)算模型設(shè)定，管內(nèi)湍流模型分布方程的離散模式設(shè)定為k-epsilon即二階迎風(fēng)差分格式，并采用SIMPLEC算法進(jìn)行修正。然后定義管道內(nèi)的流體材料，本次仿真實(shí)驗(yàn)使用液態(tài)水為管道內(nèi)的流體。在材料下拉列表中選擇，water-liquid（h20<1>）邊界條件，inlet入口邊界條件定義水流速為1m/s。湍流強(qiáng)度Turbulent Intensity和水力直徑Hydraulic Diameter選項(xiàng)分別輸入5和0.04。 ?? 設(shè)置求解參數(shù)，初始化及殘差圖后，保存文件進(jìn)行迭代計(jì)算。 ? 迭代計(jì)算后，殘差圖均呈收斂狀態(tài)。選擇Z=0.06m平面分別觀察速度及壓力云圖。流量計(jì)在靠近彎管入口處0.1m的輸出結(jié)果如圖8和9所示。 可以看出轉(zhuǎn)彎處依舊出現(xiàn)壓力降，由于壓力的作用，在水流在內(nèi)徑的速度大于外徑，流量計(jì)兩側(cè)產(chǎn)生告訴流場，兩側(cè)電極可以檢測到明顯的信號(hào)，但由于內(nèi)外徑流速的不同，兩電極所檢測的信號(hào)有一定量差，流量計(jì)尾部速度幾乎為零。 ?? 再觀察流量計(jì)在靠近彎管出口處0.1m的輸出結(jié)果組圖，如如10、圖11所示。 流量計(jì)的尾渦區(qū)對水流出彎后的直管部分流場有一定的影響，流量計(jì)電極兩側(cè)所檢測到的信號(hào)由于彎管處壓力降的作用存在量差，并且速度要略大于入口處。 ? 經(jīng)過以上對比實(shí)驗(yàn)證明，需要在彎道入口及出口部分選取垂直與XOY面不同深度的點(diǎn)來進(jìn)行測量，從而得到流量計(jì)在非對稱條件下測速的理想修正函數(shù)。 4結(jié)論 （1）通過多次實(shí)驗(yàn)，分析仿真結(jié)果，對物理模型網(wǎng)格的劃分精度及參數(shù)的調(diào)整校正，最終使殘差圖呈現(xiàn)收斂狀態(tài)。通過對輸出圖組的觀察分析，基本準(zhǔn)備模擬出管道中的流場分布，同事得出插入式電磁流量計(jì)對流場分布影響。 （2）由于工業(yè)現(xiàn)場幻想彎管道居多而長直管較少，因此在實(shí)際測量時(shí)考慮到非對稱流場對流量計(jì)測量精度影響，需要在靠近彎道的不同點(diǎn)進(jìn)行測量以修正測量結(jié)果，保證精確度。 （3）由于圓柱型的流量計(jì)的尾流對所測流場穩(wěn)定性有一定影響，可以通過機(jī)械工藝加工對流量計(jì)的外形進(jìn)行改良，盡可能減少尾流，保證流場的穩(wěn)定性。
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