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插入式電磁流量計在非對稱流場的應用 
發布時間:2018-07-26

摘要:文中主要研究插入式電磁流量計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的物理模型,並利用FLUENT進行管道內水動的仿真計算。選取等值麵觀察管道內溉體的速度、壓力等物理量的雲圖,失量圖等可視化圖像。通過圖像分析得出結論,直管道部分的場分布均勻,而管道轉彎處的場由於壓力的作用,產生了非對稱場。靠近彎管道內徑的水產生了高速場,明顯高於外徑的水速度。因此要在彎管部分進行多點測量,以修正流量計在非對稱流場中的測量準度。
  隨著近些年來我國流量測量水平的發展,越來越多種類的流量計廣泛應用於各種行業。其中,作為電磁流量計中一個種類的插入式電磁流量計,由於其自身結構的輕巧,安裝拆卸便捷,相比製造費用較高,安拆與維修都很不便的普通電磁流量計而言具有非常大的優勢,從而廣泛應用於現在的機械工業大口徑管道的流量檢測中。在國際上,由於目前能源與環保計量方麵的需求越來越大,如機械、化學工業汙水流量的測量等,各國家發展插入式流量計已經成為一種趨勢。
  和美國、日本、德國等擁有多年流量計研究經驗的國家相比,我國的插入式電磁流量計的研究還在上升;對於測量精度的提高和實物的改進還有著很大的提升空間,尤其是在管道排布複雜、彎管多、角度大的工業現場,即在非對稱流場下的應用還需做深入探討。文中利用GAMBIT軟件構建工業管道和插入式電磁流量計的物理模型,再通過FLUENT軟件對管道內的流體流量進行仿真模擬,選取工業現場中最佳的測量點來提高所研究插入式電磁流量計的測量精度。
1插入式電磁流量計的工作原理
  與普通的電磁流量計原理相同,插入式電磁流量計的測量原理同樣是基宇法拉第電磁感虛定律。通過對目標流場內某一點流速的測,經過一係列計算推導後,得出整個目標流場的平均流速。所以說插入式電磁流量計是一種點流速的了流量計。
  以管道流速測量為例,測量流場時,將流量計以平行Z軸,垂直於XOY麵方向插人管遒內部,感應電極位位於流量計尾端兩側,與水流方向保持垂直,且同屬XOY麵。水流流經流量計時,做切割磁感線運動,由法拉第電磁感應定律可知,磁場中會產生電動勢E=BD`n表示管道橫截麵平均流速。
?? 流量Q=`n A,其中,A表示管道的橫截麵積,為定值常數,進行如下推倒後得:

  可知感應電.動勢E和流量Q是線性關係,與流場內其他變化的物埋無關。即可以通過流量計對電信號的捕捉來實現對流場流量的檢測。
2 數值計算方法
?? FLUEST軟件主要包括前處理器GAMBIT和後赴理器FLUEST兩部分,二者相輔相成,缺一不可。
2.1前處理GAMBIT建模
  仿真計算前,首先進行仿真的前處理,即運用 GAMBIT幾何建模,之後對所建模進行網格的劃分和生成,誰知完邊界條件後輸出mesh文件。把mesh文件導入到FLUENT中進行流體仿真計算。
2.2後處理FLUENT仿真計算
  求解計算有以下幾個步驟:檢查導入模型的網格,選擇計算模定義流體材料性質,設置邊界條件,求解方法及其控製,迭代計算,檢查保存並分析仿真結果。??
3數值模掀仿真與結果分析
3.1對稱流場直管道中的仿真模擬
3.1.1圓管流動仿真
  首先在GAMBIT中簡曆半徑0.1m,長度4m的長直圓管物理模型采用六麵體網格劃分管道模型,如圖1所示。
定義邊界條件後輸出mesh文件,啟動FLUENT仿真計算。
  迭代計算後,查看結果,通過圖1可以看出圓管內的速度值程同心圓分布,越靠近中心處速度越大,在靠近管壁的區域,速度幾乎為零。管道內的流速穩定正常。
插入式電磁流量計圓管截麵速度雲圖
3.1.2插入式電磁流量計後的圓管流動仿真
  管道模型依然選取半徑0.1m,長4m的圓管,流量計算模型為半徑2cm的圓柱體。跟管道和流量計相比,電極很小,對流場造成影響可以忽略不計,因此在建模時可以忽略電極,簡化幾何結構。流量計起阻擋水流作用。管道及流量計建立模型圖如圖2所示。
插入式電磁流量計直管道模型結構圖
  運用GAMBIT建模劃分網格,其中在體網格的劃分上Element選擇Hex,Type選擇Cooper。管道模型最終劃分成的網格如圖3所示。定義水流的入口及出口,流量計模型位於左側水流入口處1m位置。導入FLUENT求解計算。定義求解器定水的流速設置為1m/s。迭代計算後,輸出結果圖組。
插入式電磁流量計直管道網格劃分示意圖
  由於三維模型的計算結果不方便查看,所以通過創建電極所在的等值麵來觀察電極所在區域周圍的流場,選取Z=0.06m平麵來輸出壓力和速度等值線及雲圖。選擇速度雲圖放大觀察,如圖4所示。
插入式電磁流量計直管道放大速度雲圖
  根據選取麵放大後的速度雲圖觀察可以看出,水流流經流量計的時候,兩側的電極周圍的流場受圓柱繞流影響,產生了高速流場,水流無法很好地貼合流量計後半段壁麵流動,致使流速減小,邊界層出現分離,產生尾渦流區。尾渦區在一定程度上破壞了周圍流場的穩定性。
  由於傳統型插入式電磁流量計的自身形狀不可避免的會對所測流場產生一定幹擾,因此需要采用機械工藝方麵的設計對其自身物理結構進行改良。
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的模擬
  根據之前直菅水流場的模擬可知,在直管中水流是均勻穩定的。而管道相互連接的彎管部分其內部的流動會引起很大的壓力降,對流體流經轉彎處後的速度也會有一定的影響。
  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。簡曆物理模型,如圖5所示,劃分網格,設定邊界條件後求解。
插入式電磁流量計彎管道模型結構圖
  迭代計算後,觀察輸出的速度雲圖和壓力雲圖,如圖6和圖7所示。可以看出彎管處出現了壓力降,內徑速度明顯大於外徑。再通過放大的速度矢量圖可以看出,轉彎處的內徑高速水流沿外徑流出,並且速度下降逐漸恢複轉彎錢的速度,出彎後的內徑部分幾乎無流速,經過一定管長後恢複勻速。

?? 所以說彎管部分的流場是不均勻的,是非對稱流場。
3.2.2插入式電磁流量計後的彎管流動仿真
?? 在多數現場環境下,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流速泄露及數據分析會有較大出入,因此在彎管部分的檢測要重新選取不同的點進行檢測。
?? 保留上一小節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處分別插入流量計模型,進行多次測量,除了流量計插入位置其餘物理量保持不變。
劃分網格,網格類型選擇六麵體Hex,劃分方法設置為Cooper即把整個模型體依據2指定的源麵來劃分,設置網格步長Space為3.設定邊界條件,管道入口選擇VEOCITY,水流速設定為1m/s,出口選擇OUTFLOW,其餘各邊默認為壁麵WALL。輸出網格,導入FLUENT求解器進行求解。
? 由於現場實際情況中,工業管道會按照現場需要進行安置排布,即橫向豎向多角度轉彎,管內流體是湍流流動,流場基本上是不定常的,因此在定義求解器時,要用非穩態的求解器進行模擬計算,即在Time選項中選擇非定常Unsteady。其他計算模型設定,管內湍流模型分布方程的離散模式設定為k-epsilon即二階迎風差分格式,並采用SIMPLEC算法進行修正。然後定義管道內的流體材料,本次仿真實驗使用液態水為管道內的流體。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。湍流強度Turbulent Intensity和水力直徑Hydraulic Diameter選項分別輸入5和0.04。
?? 設置求解參數,初始化及殘差圖後,保存文件進行迭代計算。
? 迭代計算後,殘差圖均呈收斂狀態。選擇Z=0.06m平麵分別觀察速度及壓力雲圖。流量計在靠近彎管入口處0.1m的輸出結果如圖8和9所示。

可以看出轉彎處依舊出現壓力降,由於壓力的作用,在水流在內徑的速度大於外徑,流量計兩側產生告訴流場,兩側電極可以檢測到明顯的信號,但由於內外徑流速的不同,兩電極所檢測的信號有一定量差,流量計尾部速度幾乎為零。
?? 再觀察流量計在靠近彎管出口處0.1m的輸出結果組圖,如如10、圖11所示。


  流量計的尾渦區對水流出彎後的直管部分流場有一定的影響,流量計電極兩側所檢測到的信號由於彎管處壓力降的作用存在量差,並且速度要略大於入口處。
? 經過以上對比實驗證明,需要在彎道入口及出口部分選取垂直與XOY麵不同深度的點來進行測量,從而得到流量計在非對稱條件下測速的理想修正函數。
4結論
(1)通過多次實驗,分析仿真結果,對物理模型網格的劃分精度及參數的調整校正,最終使殘差圖呈現收斂狀態。通過對輸出圖組的觀察分析,基本準備模擬出管道中的流場分布,同事得出插入式電磁流量計對流場分布影響。
(2)由於工業現場幻想彎管道居多而長直管較少,因此在實際測量時考慮到非對稱流場對流量計測量精度影響,需要在靠近彎道的不同點進行測量以修正測量結果,保證精確度。
(3)由於圓柱型的流量計的尾流對所測流場穩定性有一定影響,可以通過機械工藝加工對流量計的外形進行改良,盡可能減少尾流,保證流場的穩定性。

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