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        電磁流量計

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        插入式電磁流量計在非對稱流場的應用

        來源:作者:發表時間:2020-04-30 09:23:41

         摘要:文中主要研艽插入式電磁溉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溉量計的物理模型,并利用FLUENT進行管道內水動的仿真計算。選取等值面觀察管道內溉體的速度、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論,直管道部分的場分布均勻,而管道轉彎處的場由于壓力的作用,尸生了非對稱場。靠近彎管道內徑的水尸生了高速場,明顯高于外徑的水速度。因此要在彎管部分進行多點測量,以修正/瓦量計在非對稱/瓦場中的測量準度。

         
        階段,對于測量精度的提高和實物的改進還有著很大的提升空間,尤其是在管道排布復雜、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**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于法拉第電磁感應定律(4)。通過對目標流場內某一點流速的測量,經過一系列計算推導后,得出整個目標流場的平均流速。所以說插人式電磁流量計是一種點流速的流量計。
                以管道流速測量為例,測量流場時,將流量計以平行Z軸,垂直于XOY面方向插人管道內部,感應電極位于流量計尾端兩側,與水流方向保持垂直,且同屬XOY面。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,磁場中會產生感應電動勢E=BDV,其中,管道內徑D是定值常數,磁場強度B也基本保持不變廠表示管道橫截面積平均流速。
         
                流量Q=VA,其中,A表示管道的橫截面積,為定值常數,進行如下推導后,得:
        流量計算公式
                可知感應電動勢E和流量口是線性關系,與流場內其他變化的物理量無關。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
        FLUENT軟件主要包括前處理器GAMBIT和后處理器FLUENT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,之后對所建模型進行網格的劃分和生成,設置完邊界條件后輸出mesh文件。把mesh文件導入到FLUENT中進行流體仿真計算。
         
        2.2后處理FLUEN'I’仿真計算
                求解計算時主要有以下幾個步驟:檢查導人模型的網格,選擇計算模型,定義流體材料性質,設置邊界條件,求解方法及其控制,迭代計算,檢查保存并分析仿真結果。
         
        3數值模擬仿真與結果分析
        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中建立半徑0.1m,長度4 m的長直圓管物理模型采用六面體網格劃分管道模型,如圖1所示。
                定義邊界條件后輸出mesh文件,啟動FLUENT仿真計算。
                迭代計算后,查看結果,通過圖1可以看出:圓管內的速度值呈同心圓分布,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。
        圓管截面速度云圖
        3.1.2插人流量計后的圓管流動仿真.
                管道模型依然選取半徑0.1 m,長4 m的圓管,流量計模型為半徑2cm的圓柱體。跟管道和流量計相比,電極很小,對流場造成的影響可以忽略不計,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。
        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**終劃分成的網格如圖3所示一。定義水流的人日及出口,流量計模型位于左側水流人口處1 m位置。導人FLUENT求解計算。定義求解器定水的流速設置為1m/s。迭代計算后,輸出結果圖組。
        直管道網格劃分示意圖
         
        由于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面來觀察電極所在區域周圍的流場,選取Z =0.06 m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。
        直管道放大速度云圖
                根據選取面放大后的速度云圖觀察可以看出,水流流經流量計的時候,兩側的電極周圍的流場受圓柱繞一流影響,產生了高速流場,水流無法很好地貼合流量計后半段壁面流動,致使流速減一小,邊界層出現分離,產生尾渦區。尾渦區在一定程度上破壞了周圍流:場的穩定性。
                由于流量計兩側形成了高速流場,電極表面所處位置的流場信號較強,此時電極所檢測出的信號強度也較強,然而處于不穩定的流場之中也讓其檢測信號的穩定性較差。
                由于傳統型插人式電磁流量計的自身形狀不可避免地會對所測流場產生一定干擾,因此需要.采用機械工藝方面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
                根據之前直管水流場的模擬可知,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,對流體流經轉彎處后的速度也會有一定影響。
                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0.4 m的94°彎管。建立物理模型、,如圖5所示,劃分網格,設定邊界條件后求解。
        彎管道模型結構圖
                迭代計算后,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了壓力降,內徑速度明顯大于外徑。再通過放大的速度矢量圖可以看出,轉彎處的內徑高速水流沿外徑流出,并且速度下降逐漸恢復轉彎前的速度,出彎后的內徑部分幾乎無流速,經過一定管長后恢復勻速。
        彎管速度云圖(無流量計)彎管速度云圖(無流量計)
                所以說彎管部分的流場是不均勻的,是非對稱流場。
         
        3.2.2插入流量計后的彎管流動仿真
                在多數現場環境下,長直管較少,短直管道居多,然而接近彎管處的流體分布是不一對稱擬合流場,這與對稱流場下的多點流速測量及數據分析會一有較大出入,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,在靠近彎管人口和出口0.1。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余物理量保持不變。
                劃分網格,網格類型選擇六面體Hex,劃分方法設置為Cooper即把整個模型體依據指定的源面來.劃分,設置網格步長Space為3。設定邊界條件;管道人口選
        擇VELOCITY,水流速設定為1 m/s,出口選擇OUTFLOW,其余各邊默認為壁面WALL。輸出網格,導人FLUENT求解器進行求解。
         
                  由于在現場實際情況中,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,管內湍流模型微分方程的離散模式設定為k-epsilon即二階迎風差分格式,并采用SIMPLEC算法進行修正。然后定義管道內的流體材料,本次仿真試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人口邊界條件定義水流速為1 m/s。湍流強度Turbulent Intensity和水力直徑Hydraulic Diameter選項處分別輸人5和0.04。
         
           設置求解參數,初始化及殘差圖后,保存文件進行迭代計算。
         
                迭代計算后,殘差圖均呈收斂狀態。選擇Z=0.06m平面分別觀察速度及壓力云圖。流量計在靠近彎管人口處0.1 m的輸出結果如圖8和圖9所示。
        彎管入口處速度云圖彎管入口處壓力云圖
                可以看出轉彎處依舊出現壓力降,由于壓力的作用,水流在內徑的速度大于外徑,流量計兩側產生高速流場,兩側電極可以檢測到明顯的信號,但由于內外徑流速的不同,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0.1 m的輸出結果組圖,如圖10、圖11所示。
        彎管出口處速度云圖彎管出口處壓力云圖
                流量計的尾渦區對水流出彎后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于彎管處壓力降的作用存在量差,并且速度要略大于人口處。
                經過以上對比試驗證明,需要在彎道入口及出口部分選取垂直于xoY面不同深度的點來進行測量,從而得到流量計在非對稱流場條件下測速的理想修正函數。
         
        4、結論
                (1)通過多次試驗,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,**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,同時得出流量計對流場分布的影響。
                (2)由于工業現場環境彎管道居多而長直管較少,因此在實際測量時要考慮到非對稱流場對流量計測量精度的影響,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)由于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,盡可能地減少尾流,保證流場的穩定性。
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