許德福 李曉宇

(新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，烏魯木齊 830000)

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異徑管道下電磁流量計(jì)流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算與分析研究

許德福 李曉宇

(新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，烏魯木齊 830000)

利用專業(yè)的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析軟件，通過(guò)建立異徑電磁流量計(jì)流場(chǎng)的模型，計(jì)算分析異徑條件下電磁流量計(jì)流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特性。計(jì)算研究表明：異徑條件下流場(chǎng)的入口流速，電極之間的距離對(duì)流場(chǎng)中心點(diǎn)的速度，進(jìn)出口壓力損失都具有比較大的影響。通過(guò)研究分析不同參數(shù)下流場(chǎng)特性的變化，證明異徑電磁流量計(jì)在低流速下的計(jì)量精度和準(zhǔn)確性具有一定的優(yōu)勢(shì)。研究分析結(jié)果對(duì)異徑條件下電磁流量計(jì)管道的優(yōu)化和改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)和借鑒經(jīng)驗(yàn)。

異徑；流場(chǎng)；不同參數(shù)；影響

0 引言

電磁流量計(jì)是目前世界上應(yīng)用比較廣泛的測(cè)量液體流量計(jì)之一,因其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好廣泛應(yīng)用于石油石化、化工、污水處理等各個(gè)行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電磁流量計(jì)管道都為均勻的圓管[1]。由于電磁流量計(jì)特殊的計(jì)量原理和管道形狀要求圓管，電磁流量計(jì)在實(shí)際計(jì)量中要求必須滿管流，即管道流速為中心軸對(duì)稱分布[2]。由此，具有均勻磁場(chǎng)和點(diǎn)電極的電磁流量計(jì)的流速和電磁流量計(jì)的輸出信號(hào)成一個(gè)正比的關(guān)系。就目前電磁流量計(jì)應(yīng)用的實(shí)際情況來(lái)看，在低流速下電磁流量計(jì)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性都不是很高[3]。國(guó)外流量計(jì)量專家Keijnsdijk把縮頸作為異徑設(shè)計(jì)的一個(gè)方向，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的中間管道的形狀來(lái)研究異徑管道對(duì)電磁流量計(jì)流場(chǎng)的影響[4]。此外，Korsunskii等人也研究了中間管道為長(zhǎng)方形時(shí)不同參數(shù)對(duì)電磁流量計(jì)流場(chǎng)特性的影響[5]。我國(guó)計(jì)量學(xué)院的陳寅佳等人也分析研究了不同參數(shù)條件下異徑電磁流量計(jì)流場(chǎng)的特性[6]。因此如何在低流速下提高電磁流量計(jì)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性一直以來(lái)都是電磁流量計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化的一個(gè)重點(diǎn)。 為了適應(yīng)電磁流量計(jì)在低流速、低耗能下計(jì)量的要求，電磁流量計(jì)研發(fā)人員從管道結(jié)構(gòu)、電磁激勵(lì)方式、電路分布、電極形狀等各個(gè)方面都進(jìn)行了研究和分析,并取得了一定的進(jìn)展。

對(duì)于異徑管道的電磁流量計(jì)，目前國(guó)內(nèi)研究的都比較少。異徑管道下的電磁流量計(jì)主要指通過(guò)改變普通的圓管道，在實(shí)際計(jì)量時(shí)創(chuàng)造一個(gè)特殊的滿管環(huán)境來(lái)提高電磁流量計(jì)在低流速和不滿管情況下的測(cè)量精度和穩(wěn)定性[7]。

1 電磁流量計(jì)工作原理

電磁流量計(jì)是一種利用法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)檢測(cè)液體流量的一種流量計(jì)。磁勵(lì)線圈將磁場(chǎng)通過(guò)電極施加給被測(cè)導(dǎo)電液體以后，被測(cè)導(dǎo)電液體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)過(guò)流量計(jì)流量的檢測(cè)。

對(duì)于一般圓形管道的電磁流量計(jì)輸出的電壓信號(hào)為：

(1)

假定管道的橫截面積為A,流量為q，則上式可以寫成：

(2)

在建立電磁流量計(jì)這個(gè)基本方程的過(guò)程中前人作了如下的假設(shè)[8]：

1)流體磁導(dǎo)率是均勻的，流體為非磁性流體；

2)流體的電導(dǎo)率均勻，并且滿足Ohm定律；

3)充分發(fā)展流對(duì)于圓管是軸對(duì)稱分布的；

4)流體中的位移電流小到基本上可以忽略；

5)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B是均勻分布的。

由式(1)和式(2)我們可以看出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流體在流場(chǎng)中的平均流速和磁極之間的距離有關(guān)。在實(shí)際的使用情況中由于有時(shí)電磁流量計(jì)的工作環(huán)境比較復(fù)雜，當(dāng)流體流速較低時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比較低，有時(shí)候和噪聲難以區(qū)分，由此導(dǎo)致了電磁流量計(jì)測(cè)量靈敏度和準(zhǔn)確性的降低。

2 仿真計(jì)算模型的建立

異徑電磁流量計(jì)就是在不改變?cè)辛鲌?chǎng)分布的情況下，用適當(dāng)?shù)目s徑來(lái)提高流速，以此提高電磁流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性和靈敏度[9]。

圖1與圖2分別為傳統(tǒng)電磁流量計(jì)與本文中分析的異徑電磁流量計(jì)簡(jiǎn)圖。由式(1)及電磁流量計(jì)的工作原理我們可以自行推導(dǎo)出圖2所示異徑電磁流量計(jì)的公式：

首先我們?cè)诜治鰣D2所示的異徑電磁流量計(jì)流場(chǎng)時(shí)定義一個(gè)距離，即:D=D1-H1-H2;帶入式(1)即可得：

(3)

圖1 傳統(tǒng)電磁流量計(jì)簡(jiǎn)圖

圖2 異徑電磁流量計(jì)簡(jiǎn)圖

3 流場(chǎng)計(jì)算分析

在本文的分析中我們以DN80口徑的管道為模型，流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算方式為：速度入口,充分發(fā)展流為出口，分別討論計(jì)算流速為0.1m/s、10m/s時(shí)流場(chǎng)流速、壓力等參數(shù)的變化趨勢(shì)以及不同參數(shù)對(duì)流場(chǎng)特性的影響。圖3～圖10 的分析說(shuō)明在下面分析中體現(xiàn)。

圖3 0.1m/s時(shí)壓力云圖

圖4 0.1m/s Z軸方向速度矢量圖

圖5 0.1m/s速度矢量圖

從速度矢量圖和壓力云圖的分布上我們可以看出，在進(jìn)口處速度為0.1m/s時(shí)中心點(diǎn)的壓力和速度有明顯的增大，這也說(shuō)明在低流速下異徑電磁流量計(jì)具有提高測(cè)量靈敏度和準(zhǔn)確性的優(yōu)勢(shì)。

表1 進(jìn)口速度與中心點(diǎn)速度和壓力損失

由表1可以看出，在計(jì)算時(shí)我們?cè)O(shè)定速度為0.1m/s和10m/s時(shí)，中心點(diǎn)的速度約為入口速度的1.78倍，仍然在可以測(cè)量的范圍之內(nèi)，其壓力損失也符合電磁流量計(jì)檢定規(guī)程的要求。由Z軸方向上速度隨Z軸的位置圖(圖6)我們可以看出，Z軸方向?yàn)榱黧w流動(dòng)方向,在這個(gè)方向上速度隨位置的變化隨著Z軸方向的延伸速度是一個(gè)緩慢增加的過(guò)程，到中心點(diǎn)(變徑的位置)時(shí)速度達(dá)到最大，而后緩慢減小，但是進(jìn)出口的速度差不是很大。

圖6 相對(duì)于Z軸的位置/mm

圖7 0.1m/s時(shí)壓損隨入口速度的變化

從壓力損失和速度關(guān)系的圖(圖7)我們可以看出入口速度越大，出口處壓力損失也越大，但不是簡(jiǎn)單的線性增長(zhǎng)關(guān)系。因此在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)該合理地選擇異徑電磁流量計(jì)和合適的入口速度。

4 不同參數(shù)對(duì)其流場(chǎng)特性的影響

在計(jì)算和研究異徑電磁流量計(jì)兩電極之間的距離和壓力損失以及中心點(diǎn)速度的關(guān)系時(shí)，以流場(chǎng)初始流速為0.1m/s的條件下分別計(jì)算分析了不同距離下流場(chǎng)中心速度和壓力損失的變化。

圖8 兩電極之間距離過(guò)小時(shí)速度跡線

由圖8我們可以看出，在變徑過(guò)小時(shí)，以0.1m/s的入口速度時(shí)出口速度達(dá)0.31m/s，是入口速度的3.1倍，但是我們從跡線圖中也可以看出當(dāng)流體流過(guò)中心位置時(shí)也產(chǎn)生了嚴(yán)重的回流現(xiàn)象，且壓力損失達(dá)101318.05Pa。

圖9 兩電極之間距離與中心點(diǎn)速度

圖10 兩電極之間距離與壓力損失

由圖9與圖10可以看出，隨著兩電極距離的增加中心點(diǎn)速度與進(jìn)出口壓力都在減小，且中心點(diǎn)速度隨兩電極的距離減小的趨勢(shì)要大于進(jìn)出口壓力減小的趨勢(shì)，進(jìn)出口壓力隨兩電極之間距離減小的趨勢(shì)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)專業(yè)的流體分析軟件分析計(jì)算了異徑電磁流量計(jì)流場(chǎng)的特性，分析探討了不同條件下，不同參數(shù)對(duì)其流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)特性的影響，分析計(jì)算表明異徑電磁流量計(jì)流場(chǎng)在不同的入口速度，以及不同的電極之間的距離對(duì)其流場(chǎng)的特性都有較大的影響，但是在低流速下異徑電磁流量計(jì)有利于提高計(jì)量精度和準(zhǔn)確性。

本文的仿真計(jì)算結(jié)果也說(shuō)明了異徑電磁流量計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)和使用中具有可行性， 在低流速下它比常規(guī)電磁流量計(jì)更具有優(yōu)勢(shì)，在管道異徑位置的設(shè)置和距離上并不一定存在一個(gè)最優(yōu)的結(jié)果，在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中要根據(jù)具體流場(chǎng)的特性和實(shí)際情況而定，以異徑管道的選取不能改變?cè)辛鲌?chǎng)特性為最基本原則。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.08