电磁流量计博客

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电磁流量计异径管道的流场仿真研究

电磁流量计异径管道的流场仿真研究 目前国内生产的电磁流量计测量管道多为均匀圆管,由于其拥有诸多优越特性,所以应用领越来越广.然而电 磁 流 量 计 在 原 理 上 要 求 管 道 流
速为中心轴对称分布 ,这样,具有均匀磁场和点电【基金项目】 国家自然科学基金资助项目(No.11002137),浙江省教育厅项目(No.Y201018818).
【基金项目】 陈寅佳(1986    ),女,浙江省嘉兴人,硕士研究生.主要研究方向为流量计及测试计量技术.极的电磁流量计 的 输 出 信 号 与 流 速 成 正 比;同 时电磁流量计在低 流 速 的 小 流 量 测 量 时,可 靠 性 和精确度都不太理想.所以 ,如何在低流速小流量下实现流量的精确测量和低功耗设计成为人们关注的热点[1-2].为了适 应 低 功 耗 设 计 要 求,目 前 研 究
人员在电磁流量计的励磁方式、管道结构、硬件电路和电极形状 等 方 面 进 行 了 不 断 深 入 的 研 究[3-5]并取得了不同程度的进展.对于异径管道 ,目前国内的相关文献较少.主
要是通过在原来圆形横截面管道的基础上增加缩径圆管,再采用小 口 径 传 统 电 磁 流 量 计 对 增 速 的流量 进 行 测 量[6],以 提 高 测 量 精 度.Heijnsdijk[7]等把缩径作为电 磁 流 量 计 管 道 结 构 的 一 部 分 ,并设计了 不 同 形 状 的 中 间 管 道 截 面.Korsunskii[8]等证明对于矩形 截 面 管 道,电 极 上 的 感 应 信 号 不依赖 于 流 速 分 布.Lim[9]对 传 统 的 电 磁 流 量 计 进行改进,设计了长方体管道结构和磁场结构,分析了矩形电极的权重函数分布.
本文针对横截面积局部收缩为矩形的电磁流量测量管道内的 速 度 分 布、压 力 损 失 和 流 动 特 性进行 Fluent仿真研究,欲为合理 的电 磁 流 量 计 管道结构设计提供一定的理论依据.
1 电磁流量计原理
电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量导电液体 体 积 流 量 的 仪 表.其 励 磁 线 圈 将磁场施加给被测 流 体,从 而 通 过 检 测 磁 场 中 运 动流体的感应电动势并进行相应的信号处理来实现

在建立电磁流量计这个基本方程的过程中作了如下假设 [11]:
1)流体磁导率μ 均匀,且等于真空中磁导率 ,即流体是非磁性的;
2)流体的电导率均匀,并满足 Ohm 定律;
3)流体中位移电流可忽略;
4)磁场在无限大范 围 内,磁 感 应 强 度 B 是 均
匀分布 ;
5)充分发展流,对圆管而言呈轴对称分布.式(1)表明应电动势正比于平均流速.但当流体的流速很低时,产生的感应电动势很小,难以同噪 声 进 行 区 分 ,致 使 测 量 误 差 增 大.因 此,限 制
了电磁流量计的测量下限,对仪表的灵敏度、稳定性和可靠性产生 影 响.异 径 管 设 计 要 求 在 不 改 变原流场特性的条 件 下,适 当 缩 径 以 增 加 流 速 来 提高测量灵敏度 .而 矩 形 截 面 管 道 相 对 于 圆 形 截 面管道 ,电极上的感 应 信 号 不 依 赖 于 管 道 横 截 面 的流速分布[12].Bevir[13]证 明 在 磁 场 均 匀 和 电 极 形状为 矩 形 的 条 件 下,这 种 依 赖 性 很 小,可 忽 略不计 .
电磁 流 量 计 的 励 磁 电 路,线 圈 匝 数 N,励 磁电流I,磁通势 F 为:
F=N·I    (4)
Rm =L    (5)
μS
式中 :Rm    为磁阻,μ 为 磁 导 率,S 为 磁 路 的 横 断 面
积,L 为 磁 路 的 平 均 长 度.根 据 磁 场 的 欧 姆 定
律[14],磁通量Φ 有:
Φ=B·S= F    F    (
流量的准确测量[10].
对于圆形管道电磁流量计,输出信号电压为:

B=    F
Rm =
L/μS

6)
(7)
E=B·v·D    (1)
式中:E 为感应电动势,B 为磁感应强 度,v为运动
平均速度,D 为 两 电 极 之 间 的 距 离 (对 于 圆 形 管
道,D 为测量管内径).
假设管道的 横 截 面 积 为 A,流 量 为q,则 (1)
式为:
B·D·q
Rm·S=L/μ
由(7)式 可 知 ,磁 感 应 强 度 B 与 励 磁 电 流 成
正比 ,与 磁 路 的 平 均 长 度 L 成 反 比 .对 于 相 同 励
磁电路 、相同两电极之间距离 D 和 相 等 管 道 横 截
面积的圆管和矩形 管,矩 形 管 的 高 度h 小 于 圆 管
直径 D .假 设 磁 路 与 管 道 之 间 的 距 离 为 hw ,管 道
横截面积为 圆 形 和 矩 形 的 磁 路 平 均 长 度 L 分 别
E=

(2)
为h+2hw    和 D+2hw .因 此,励 磁 电 流 相 同 时 矩
对于高为h,宽为 D 横 截 面 积 为 矩 形 的 长 方
体管道,则(2)式变为:
B·q
形管道磁感应强 度 大 于 圆 形 管 道 的 磁 感 应 强 度 .
若需要得到相 同 磁 感 应 强 度 B,矩 形 截 面 管 道 所
需 励 磁 电 流 较 小 ,可 提 高 电 磁 流 量 计 的 低 功 耗
E=

(3)
特性 .




第3期




陈寅佳,刘铁军,等:电磁流量计异径管道的流场仿真研究




229


2 模型仿真

2.1 模型的建立与网格的划分
使 用 SolidWorks软 件 生 成 三 维 模 型 ,通 过

表 1  异径管道长 方 体 最 小 最 大 流 速 的 压 损 和 中 心 截 面
平均速度
Table 1  Pressure drop and average velocity of center
profile in the rectangular reducer with mini-
mum and maximum velocity
STEP格 式 文 件 导 入 Fluent软 件 的 前 处 理 程 序
Gambit,在 Gambit中 对 模 型 进 行 网 格 划 分,得 到
模 型 如 图 1.测 量 管 道 由 大 口 径 50 mm 圆 管 缩
径 为 小 口 径 长80mm,宽38mm,高20mm 的 矩
初始流速/
(m·s-1)
0.1
5 
进出口压力损失/
Pa
11.102 358 
14 021.648 
中心截面平均速度/
(m·s-1)
0.258 228 27
12.911 407
形 管 道.入 口 边 界 设 定 为 速 度 入 口,出 口 边 界 设
置 为 充 分 发 展 流 ,其 他 所 有 面 为 默 认 的 壁 面
边 界.

















图 1 异径管网格模型图
Figure 1 Meshing model of reducer

2.2 Fluent内部参数设置
对 Fluent中的各参数设置 如 下:模 型 求 解 方
法选择默认设置 的 非 耦 合 求 解 方 法;定 义 流 体 的
物理性质 为 水;选 用 k-ε 湍 流 模 型[15],初 始 流 速
0.1m/s和5m/s,水力直径 50 mm,湍 流 强 度 分
别为5.5% 和3.38%.

3 仿真结果分析

3.1 异径管道流场分布
对 局 部 矩 形 横 截 面 的 异 径 管 道 ,在 矩 形 部
分 长 度 80 mm,宽 度 38 mm,高 度 20 mm,管 道
总 长 200 mm 的 条 件 下 采 用 Fluent软 件 进 行 流
场 仿 真 ,管 道 初 始 流 速 分 别 为 0.1 m/s低 流 速
和5 m/s最 大 流 速 .其 压 损 和 中 心 截 面 平 均 速
度 如 表 1:
表1指出低流速0.1m/s时异径管道中间流
速增加 2.58 倍,提 高 了 测 量 灵 敏 度 和 精 确 度.初
始流速 5m/s时,其 压 力 损 失 符 合 冷 水 水 表 的 检
定规程[16],额定工作条件下的 最 大 压 力 损 失 应 不
超过 0.063 MPa.中 间 流 速 也 增 加 2.58 倍 为
12.9m/s,仍在 传 统 电 磁 流 量 计 的 测 量 范 围 内 ,
但更大初始流速可能会超出测量范围 .因此,应根
据使用条件 合 理 设 计 管 道 尺 寸 .图 2、图 3(其 中
X、Y 轴坐标单位均为 m;速度单位为 m/s)和图 4
表明异径长方体 管 道 的 流 场 特 性 稳 定,设 计 长 方
体异径管道电磁流量计具有可行性 .




230




中 国 计 量 学 院 学 报




第23 卷













图4  异径管Y 轴长度方向速度分布
Figure 4 Velocity distribution of rectangular longitudinal di-
rection

3.2 异径管道流场畸变
对横截面由圆形渐变为矩形的异径管道,在矩
形截面部分长度80mm,宽度20mm,高度5mm,管

3.3 异径管道横截面积收缩部分不同长度的影响
对横截面由圆形渐变为矩形的异径管道,在矩
形截面部分宽度 38 mm,高 度20 mm,长 度 为100
~40mm,以 步 长 10 mm 变 化,管 道 总 长 200 mm
的条件下采用 Fluent软件进行流场 仿 真.管 道 入
口初始流速设定为 0.1 m/s.仿 真 结 果 如 表 2.异
径管长度 方 向 上 的 压 力 损 失 由 沿 程 压 力 损 失 引
起,差别较小,中心截面平均速度基本保持不变.

表 2  异径管道长 方 体 不 同 长 度 对 进 出 口 压 损 和 中 心 截
面平均速度的影响
Table2 Inlet-outletpressure drop and average velocity
of center profile in the rectangular reducer with
diffeen length
中间长方体长度    进出口压力损失    中心截面平均速度
道总长度为200mm 的设定条件下采用 Fluent软件
进行流场仿真,管道初始流速0.1m/s.进出口压损
1 903.801 4Pa,中心截面平均速度2.452 922 1m/s,
增加24.5倍.根据图5、图6可 知,如 果 矩 形 截 面
部分的高度和宽 度 压 缩 太 大 会 导 致 回 流 现 象 ,同
时异径管的出口 压 力 相 对 于 进 口 压 力 小 太 多 ,出
现渐扩管有严重的湍流现象,流场变化较大 .
/mm
100 
90 
80 
70 
60 
50 
40 
/Pa
13.026 833 
12.027 82 
11.102 358 
10.203 016 
9.293 159 
8.422 804 
7.510 332 
/(m·s-1)
0.258 229 35
0.258 228 48
0.258 228 27
0.258 228 39
0.258 228 69
0.258 228 75
0.258 228 87
3.4 异径管道横截面积收缩部分不同宽度的影响
对横截面由圆 形 渐 变 为 矩 形 的 异 径 管 道,在
矩形截面 部 分 长 度 80 mm,高 度 20 mm,宽 度 为
48~20 mm,以 步 长 2 mm    变 化,管 道 总 长
200mm的条 件 下 采 用 Fluent软 件 进 行 流 场 仿
真,管道入口初始流速设定为 0.1 m/s.得 压 损 和
中心截面平 均 速 度 分 布 如 图 7.宽 度 越 小 压 力 损
失越大 ,但中心截面平均速度也越大 ,随着宽度的
减小 ,压损和中心截面平均速度增幅增大.



图 7 进出口压损和 中 心 截 面 平 均 速 度 与 中 间 长 方 体 宽 度
的关系曲线陈寅佳,刘铁军,等:电磁流量计异径管道的流场仿真研究

3.5 异径管道横截面积收缩部分不同高度的
影响
对横截面由 圆 形 渐 变 为 矩 形 的 异 径 管 道 ,在
矩形截面 部 分 长 度 80 mm,宽 度 50 mm,高 度 为
30~8mm ,以步长2mm 变化,管道总长200mm
的条件下采用 Fluent软件仿真 其流 场 分 布,管 道
入口初 始 流 速 0.1 m/s.得 压 损 和 中 心 截 面 平 均
速度分布如图8.高度越小压 力 损 失 越 大,且 中 心
截面平均速度也越大.随着高度的减小,压损和中
心截面平均速度增幅增大.


图8  进出口压损和中心截面平均速度与中 间 长 方 体 高 度 的
关系曲线
Figure 8 Curves of inlet-outlet pressure drop and average
veloity of center profile in the rectangular reducer
wit diffret height

4 结 语
本文对横截面由圆形渐变为矩形的异径电磁
流量计管道进行 了 三 维 模 拟 仿 真.缩 径 矩 形 截 面
部分流体流速增加且流速在管道横截面上分布均
匀,有利于低流速小流量的精确测量.矩形截面部
分的宽度和高度对进出口压损和中心截面平均速
度影响较大.矩形 截 面 异 径 管 感 应 电 动 势 与 磁 感
应强度 B 成 正 比,与 矩 形 横 截 面 的 高 度 h 成 反
比,由此高度h 越小越好.但当高度相对于圆形入
口的通径 D 收缩较大时,渐扩 管 中 会 出 现 明 显 的
湍流和空穴现象,因此收缩比例不能太大.采用具
有局部收缩的矩形截面的测量管道可提高电磁流
量计的励磁效率 和 传 感 器 输 出 信 号 的 幅 度,有 利
于实现电磁流量计的低功耗设计.
从本文研究结 果 可 知 ,设 计 横 截 面 由 圆 形 渐
变为矩形的异径 管 道 电 磁 流 量 计 具 有 可 行 性 ,理
论上并不存在管 道 尺 寸 的 最 优 解,具 体 的 管 道 尺
寸则根据不改变 原 流 场 特 性 太 多、流 体 速 度 范 围

和压力损失等要求来决定.相对于圆形截面管道 ,
所研究的横截面由圆形渐变为矩形的异径管道电
磁流量计还具有磁场均匀、与流速分布无关、低功
耗等优点.

 

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