隨著流量計量行業的發展，
插入式電磁流量計以其低成本、安(an)裝(zhuang)維(wei)修(xiu)方(fang)便(bian)等(deng)優(you)點(dian)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)大(da)口(kou)徑(jing)管(guan)道(dao)流(liu)量(liang)的(de)測(ce)量(liang)。盡(jin)管(guan)插(cha)入(ru)式(shi)電(dian)磁(ci)流(liu)量(liang)計(ji)測(ce)量(liang)屬(shu)於(yu)點(dian)測(ce)量(liang)，但(dan)用(yong)插(cha)入(ru)管(guan)道(dao)的(de)探(tan)頭(tou)即(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)的(de)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)采(cai)集(ji)信(xin)號(hao)，探(tan)測(ce)到(dao)的(de)是(shi)一(yi)定(ding)區(qu)域(yu)內(nei)流(liu)體(ti)的(de)信(xin)息(xi)。
現如今，絕大部分人采用流體力學方法(CFD)對流場進行仿真研究，而其中使用廣泛的數值解法就是有限體積法，本文采用的仿真軟件 FLU-ENT 就是基於此。而很多人在運用 CFD 方法進行插入式電磁流量計流場仿真時，往往無法確定其在管道中的計算域，導致其信號模擬難以實現。針對這種情況，本文通過 FLUENT 軟件對管道內流場進行三維數值模擬，提出了信號作用範圍的概念和確定方法。
1 基本原理
1. 1 信號作用範圍的定義
根據插入式電磁流量計的工作原理，距離電極越遠的區域，其磁感應強度越弱;當遠到一定距離時，該處流體切割磁感線所產生的電動勢弱到不會對流體檢測結果產生影響
所suo以yi，對dui於yu大da口kou徑jing管guan道dao，插cha入ru式shi電dian磁ci流liu量liang計ji傳chuan感gan器qi探tan頭tou電dian極ji能neng檢jian測ce到dao的de流liu量liang信xin號hao實shi際ji上shang是shi被bei測ce管guan道dao內nei傳chuan感gan器qi探tan頭tou附fu近jin某mou一yi空kong間jian區qu域yu的de電dian信xin號hao，而er並bing非fei覆fu蓋gai整zheng個ge管guan道dao。所suo以yi，本ben文wen對dui信xin號hao作zuo用yong範fan圍wei做zuo了le一yi明ming確que定ding義yi。信xin號hao作zuo用yong範fan圍wei是shi指zhi電dian極ji附fu近jin的de某mou一yi空kong間jian區qu域yu，該gai區qu域yu內nei導dao電dian流liu體ti切qie割ge磁ci感gan線xian所suo產chan生sheng的de電dian動dong勢shi對dui流liu量liang檢jian測ce結jie果guo起qi決jue定ding性xing作zuo用yong。
1. 2 等效半徑 R 的定義
在zai流liu場chang中zhong，信xin號hao越yue強qiang則ze越yue容rong易yi被bei電dian極ji接jie收shou到dao，場chang內nei每mei點dian產chan生sheng的de信xin號hao大da小xiao與yu流liu過guo該gai點dian的de流liu速su有you關guan，而er插cha入ru式shi電dian磁ci流liu量liang計ji由you於yu探tan頭tou的de插cha入ru導dao致zhi流liu場chang分fen布bu發fa生sheng變bian化hua，故gu可ke知zhi電dian極ji不bu是shi在zai其qi周zhou圍wei等deng距ju離li的de采cai集ji有you效xiao信xin號hao，即ji實shi際ji的de信xin號hao作zuo用yong範fan圍wei是shi不bu規gui則ze的de區qu域yu。為wei了le方fang便bian研yan究jiu，用yong下xia述shu方fang法fa定ding義yi等deng效xiao信xin號hao範fan圍wei。一yi個ge在zai電dian極ji周zhou圍wei的de具ju有you半ban徑jing R 的球形區域 VR，使它與實際信號作用範圍對信號產生的貢獻是等效的，即滿足式(1)。
式(1)中，Π為流體在流場中切割磁感線對信號產生貢獻的實際總體區域，VR為以電極為球心的區域，其半徑 R 定義為等效半徑，Φ(x，y，z) 是流動空間中流體單位體積貢獻的信號。隻要確定出等效半徑 R，就能表征出等效信號作用範圍 VR。
1. 3 等效半徑 R 研究方法
根據體積流量的計算公式可知:
式(2)中 U 指的是截麵 A 的麵平均流速。而在儀表測量時實際檢測到的流速應該是信號作用範圍內的整體平均流速，通過標準裝置檢定得到儀表的轉換係數 K，可以把信號作用範圍內的整體平均流速轉換成電極所在位置處管道最小橫截麵(簡稱最小截麵)的(de)麵(mian)平(ping)均(jun)流(liu)速(su)，從(cong)而(er)計(ji)算(suan)出(chu)流(liu)量(liang)值(zhi)。故(gu)在(zai)仿(fang)真(zhen)時(shi)可(ke)以(yi)把(ba)信(xin)號(hao)作(zuo)用(yong)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)平(ping)均(jun)流(liu)速(su)代(dai)替(ti)最(zui)小(xiao)截(jie)麵(mian)的(de)平(ping)均(jun)流(liu)速(su)，通(tong)過(guo)這(zhe)個(ge)原(yuan)理(li)可(ke)以(yi)對(dui)信(xin)號(hao)作(zuo)用(yong)範(fan)圍(wei)進(jin)行(xing)求(qiu)解(jie)和(he)驗(yan)證(zheng)。
1. 4 等效半徑 R 分析步驟
關於等效半徑 R 的確定，以 FLUENT 軟件對插入探頭的大口徑管道進行數值模擬。步驟為:①求得某一來流速度 U 下，不同區域半徑 r 與該半徑球形區域範圍內平均流速之間的關係;②根據連續性方程求得最小截麵的理論平均流速;③利用插值方法確定該來流速度下信號作用範圍的等效半徑 R;④改變來流速度重複此模擬實驗。
2 信號作用範圍的確定方法
2. 1 確定計算域
為了保證網格質量，選擇工程上使用十分廣泛、結構較為簡單的圓柱二電極探頭作為仿真對象，計算域如圖 1 所示。在保證前後直管段的基礎上，設定常溫常壓下水為流動介質，入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，選擇標準 k-ε 模型為湍流模型，其經驗常數 C1ε、C2ε、C3ε分別取1. 44、1. 92、0. 09，湍動能和耗散率分別取 1. 0 和 1. 3。
根據信號作用範圍概念可知，隻要探頭能夠檢測到流量信號，表明該處的流動一定在磁場區域範圍內，則計算域內的平均速度為:
式(3)中 Vr為計算區域，u(x，y，z) 為速度函數。
2. 2 最小截麵理論流速的求解
所研究的背景是插入式電磁流量計用於測量大口徑管道的流量，因此，所采用的管道模型是大口徑管道，尺寸如下:管道內徑為 400 mm，探頭半徑為32 mm，電極半徑為 5 mm，探頭的插入深度為120 mm。
由連續性方程可得:
式(4)中 U 為實際來流速度，A1為管道截麵積，U1為最小截麵理論流速，A2為最小截麵積。
用 GAMBIT 軟件建立模型，可直接得出 A2=117 961. 70 mm2。取來流速度在 0. 5 ～10 m/s 範圍內的 6 速度點，則可以根據公式(4)求出不同來流速度下流過最小截麵的理論流速 ū1。
2. 3 計算域內的平均流速和計算域半徑之間的關係
取計算域半徑在 10 ～ 80 mm 的範圍內，通過GAMBIT 軟件分別建立模型，再由 FLUENT 軟件分別進行仿真，得出在不同半徑的計算域內所對應的體積加權平均流速，如表 1 所示。
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從表 1 shujukeyikanchu，suizhejisuanyubanjingdezengda，jisuanyuneidepingjunliusuzhujianjianxiao。zheshiyinweizaijisuanyubanjingjiaoxiaoshi，zaitantoufujindetuanliuhuodongbijiaojulie，daozhileciquyuneidepingjunliusuguoda;而er當dang計ji算suan域yu半ban徑jing較jiao大da時shi，最zui外wai層ceng區qu域yu的de流liu體ti流liu動dong情qing況kuang減jian弱ruo，即ji那na些xie區qu域yu對dui信xin號hao不bu起qi決jue定ding性xing作zuo用yong，導dao致zhi了le平ping均jun流liu速su過guo小xiao，同tong時shi也ye說shuo明ming了le等deng效xiao信xin號hao作zuo用yong範fan圍wei的de存cun在zai。
為了得到不同來流速度下的等效半徑，利用MATLAB 對各組數據進行相應理論流速的插值運算，得到如表 2 所示的數據。
2.4確定R
從表 2 中zhong可ke以yi看kan出chu，雖sui然ran來lai流liu速su度du不bu同tong，但dan對dui應ying的de等deng效xiao半ban徑jing之zhi間jian的de差cha別bie卻que不bu大da，甚shen至zhi可ke以yi說shuo是shi非fei常chang接jie近jin的de。取qu任ren意yi不bu同tong來lai流liu速su度du下xia計ji算suan域yu半ban徑jing和he流liu速su關guan係xi曲qu線xian圖tu進jin行xing比bi較jiao，如ru圖tu 2 suoshi。congtuzhongkeyikanchu，jinguanliusubutong，danjisuanyubanjingqueshiyiyangde，jihengzuobiaoyizhi，qiequxiandexingzhuangshifenxiangsi。yinci，keyirenweidengxiaobanjingdedaxiaohelailiusuduwuguan。
從上述分析可以得出結論:等效半徑 R 為(wei)定(ding)值(zhi)，即(ji)得(de)到(dao)的(de)等(deng)效(xiao)信(xin)號(hao)作(zuo)用(yong)範(fan)圍(wei)為(wei)定(ding)值(zhi)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)，在(zai)流(liu)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)磁(ci)路(lu)係(xi)統(tong)不(bu)變(bian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，等(deng)效(xiao)信(xin)號(hao)作(zuo)用(yong)範(fan)圍(wei)不(bu)隨(sui)來(lai)流(liu)速(su)度(du)的(de)改(gai)變(bian)而(er)改(gai)變(bian)。
為了減小計算誤差，提高數據的置信度，對表 3中的各等效半徑做平均值得到 R，即: |
3 實驗結果與仿真結果分析
為wei了le驗yan證zheng通tong過guo上shang述shu方fang法fa所suo得de到dao的de插cha入ru式shi電dian磁ci流liu量liang計ji等deng效xiao信xin號hao作zuo用yong範fan圍wei的de可ke靠kao性xing，把ba該gai尺chi寸cun的de傳chuan感gan器qi探tan頭tou形xing狀zhuang加jia工gong製zhi作zuo成cheng流liu量liang計ji樣yang機ji在zai口kou徑jing為wei 400mm 的管道上進行流量測量，插入深度也保持在 120mm。其測量得到的體積流量與仿真得到的流量進行對比，如表 3 所示，其中計算仿真流量示值所用的流速是上述得到的等效信號作用範圍內的平均流速ū。
從表 3 數據可以看出，樣機測得的流量與仿真所得流量之間的誤差很小，其中最大的示值誤差也不超過 －0. 78%，充(chong)分(fen)說(shuo)明(ming)了(le)可(ke)以(yi)用(yong)等(deng)效(xiao)信(xin)號(hao)作(zuo)用(yong)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)平(ping)均(jun)流(liu)速(su)來(lai)代(dai)替(ti)被(bei)測(ce)管(guan)道(dao)截(jie)麵(mian)內(nei)的(de)平(ping)均(jun)流(liu)速(su)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)，即(ji)驗(yan)證(zheng)了(le)等(deng)效(xiao)信(xin)號(hao)作(zuo)用(yong)範(fan)圍(wei)的(de)存(cun)在(zai)和(he)確(que)定(ding)方(fang)法(fa)的(de)正(zheng)確(que)性(xing)。
4 結論
運用 CFD 方法對插入式電磁流量計大口徑管道流場進行了仿真實驗，通過與實驗數據進行對比，表明 CFD 方法用於確定信號作用範圍的可行性。且可以得出以下結論:信xin號hao作zuo用yong範fan圍wei是shi由you插cha入ru式shi電dian磁ci流liu量liang計ji自zi身shen硬ying件jian決jue定ding的de，一yi旦dan一yi台tai插cha入ru式shi電dian磁ci流liu量liang計ji製zhi作zuo出chu來lai其qi等deng效xiao信xin號hao作zuo用yong範fan圍wei就jiu已yi確que定ding，不bu會hui受shou到dao流liu體ti來lai流liu速su度du的de影ying響xiang;但dan當dang其qi磁ci路lu係xi統tong發fa生sheng變bian化hua時shi，此ci時shi的de信xin號hao作zuo用yong範fan圍wei的de大da小xiao也ye會hui隨sui之zhi改gai變bian。這zhe為wei以yi後hou對dui插cha入ru式shi電dian磁ci流liu量liang計ji插cha入ru管guan道dao後hou的de流liu場chang分fen析xi提ti供gong了le一yi個ge更geng佳jia的de途tu徑jing和he方fang法fa。
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