摘 要：插入式電磁流量計(jì)工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，管道中氣體、液體介質(zhì)流經(jīng)傳感器探頭時(shí)切割磁感線，引起磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此探頭周邊流場(chǎng)的分布情況對(duì)流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。文中采用Fluent流體仿真軟件對(duì)電磁流量計(jì)傳感器的多種幾何模型進(jìn)行仿真分析，觀察傳感器在流場(chǎng)中形成的高速繞流區(qū)域和邊界層，研究傳感器周邊流場(chǎng)變化給電極帶來的影響。提出將傳感器的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將傳感器的探頭位置設(shè)計(jì)安裝于傳感器兩邊，并將圓柱體的物理結(jié)構(gòu)模型改成橢圓型和橢圓水滴型。通過進(jìn)一步建模仿真發(fā)現(xiàn)，橢圓水滴型傳感器測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng)、穩(wěn)定性也較高。

公式1

        等式左邊表示單位流體介質(zhì)體積上壓力的勢(shì)能，表示單位流體介質(zhì)體積上動(dòng)能，等式右邊為常數(shù)。

        由于粘性力影響，介質(zhì)流經(jīng)物體表面時(shí)，物體表面介質(zhì)速度會(huì)減小。流體在流到物體后半部分時(shí)，邊界層會(huì)發(fā)生分離，進(jìn)而產(chǎn)生渦流。而伯努利原理告訴我們，流體的動(dòng)能與勢(shì)能的和是一個(gè)定量，二者是反比關(guān)系，所以“尾渦區(qū)”的壓力勢(shì)能勢(shì)必會(huì)降低，從而形成低壓區(qū)。根據(jù)壓差阻力公式(1)，物體壓差阻力的決定性因素是物體與水流相互作用的最大橫截面積，而壓差阻力又被物體前后的壓強(qiáng)差所直接影響，這個(gè)壓強(qiáng)差也叫做壓強(qiáng)梯度 。

        為盡量降低壓差的阻力，降低因物體后半部流動(dòng)減速過快引起的流動(dòng)分離，設(shè)計(jì)外形的時(shí)候，盡量讓物體的后部流動(dòng)速度緩慢降低，為此引出使物體得形狀由圓柱變?yōu)榍懊鎴A后面尖的流線體，比如外形橢圓水滴狀物體，水流能夠較好地經(jīng)過流線型物體的表面，而幾乎沒有渦流現(xiàn)象 [7] 。

流體的運(yùn)動(dòng)中，流線型的物體所受阻力很小，壓差得阻力也很小，摩擦阻力主要控制繞流的阻力。

 

3.1. 橢圓水滴型電磁流量計(jì)流場(chǎng)分析

 

        流線型主要有三類，卡克斯流線型、雙半橢圓型與拋物線 + 半橢圓型。

分別對(duì)上面不同流線型用Fluent流體仿真軟件進(jìn)行仿真，流速不相同，雷諾數(shù)也不相同，不同的流線型的摩擦阻力和壓差阻力關(guān)系圖6如下所示。

        綜上分析知道，以上三種流線型當(dāng)中，雙半橢圓型與拋物線 + 半橢圓型流線體的壓差阻力相對(duì)較小，所以分別選擇雙半橢圓型與拋物線 + 半橢圓型流線體來設(shè)計(jì)傳感器的外形 [8] 。

        (1) 由第一節(jié)結(jié)論可知，相比模型II的傳感器來說，模型I傳感器信號(hào)的探測(cè)強(qiáng)度更強(qiáng)，因此筆者計(jì)劃將探頭安裝于傳感器兩邊；

        (2) 通常情況下，傳感器外部形狀多為圓柱狀，由于繞流作用的產(chǎn)生，探頭后面將有渦街現(xiàn)象，進(jìn)而引起探頭周圍的流場(chǎng)波動(dòng)較大，探測(cè)信號(hào)也不穩(wěn)定，所以筆者選用傳感器外形的橫截面是雙半橢圓型的橢圓型柱體和拋物線 + 半橢圓型的橢圓水滴型柱體，盡量使傳感器得邊界層分離點(diǎn)往后邊推遲，將探頭處于穩(wěn)定的流場(chǎng)中。與普通圓柱型比較，這兩種流量計(jì)和流場(chǎng)流動(dòng)貼合度較好。

        由于傳統(tǒng)圓柱型的插入式電磁流量計(jì)由于自身形狀不可避免的會(huì)對(duì)所測(cè)流場(chǎng)產(chǎn)生一定干擾，電極檢測(cè)到的信號(hào)不夠理想，本文計(jì)劃分析設(shè)計(jì)出一種信號(hào)探測(cè)強(qiáng)度較強(qiáng)，探測(cè)信號(hào)穩(wěn)定的傳感器，為此我們還要對(duì)雙半橢圓型的橢圓型柱體和拋物線 + 半橢圓型的橢圓水滴型柱體模型進(jìn)一步分析。

 

3.2. 橢圓水滴型電磁流量計(jì)建模仿真

 

        用Fluent流體仿真軟件模擬流場(chǎng)仿真，設(shè)定水流流速為3 m/s，對(duì)管道中流場(chǎng)的情況進(jìn)行分析，由于探頭安裝在傳感器兩邊，本文需要分析探頭周邊流場(chǎng)分布情形，所以我們選擇z平面視圖來觀測(cè)傳感器的兩邊流場(chǎng)分布。

        由前面分析知道，模型I流量計(jì)：流量計(jì)的探頭安裝于傳感器的兩邊，外部結(jié)構(gòu)是圓柱形，為了更加方便的將模型I流量計(jì)，橢圓型流量計(jì)，橢圓水滴型流量計(jì)流場(chǎng)進(jìn)行直觀對(duì)比，三種流量計(jì)Fluent仿真圖如圖7，圖8和圖9所示。

 

        橢圓型流量計(jì)：從圖8可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)選取電極所在平面放大后的速度云圖進(jìn)行觀察，可以看出，水流流經(jīng)橢圓型流量計(jì)的時(shí)候，水流可以較好的貼合橢圓型流量計(jì)流動(dòng)，“尾渦區(qū)”得到了很好的抑制，流量計(jì)前后部分的壓差阻力較圓柱型流量計(jì)要減小很多，這就相對(duì)穩(wěn)定了流量計(jì)周圍的流場(chǎng)，所以將流量計(jì)模型制作成橢圓型能使其在流場(chǎng)中的穩(wěn)定性更強(qiáng)。

        橢圓水滴型流量計(jì)：從圖9可以發(fā)現(xiàn)，流量計(jì)兩邊有高速的流場(chǎng)，流速最大值為4.57 m/s，邊界層在145?時(shí)產(chǎn)生分離，“尾渦區(qū)”尾跡逐漸變小。所以說，流量計(jì)外部形狀變化使邊界層的分離產(chǎn)生了推遲，探頭也離“尾渦區(qū)”遠(yuǎn)了，此時(shí)探頭處在高速且較穩(wěn)定流場(chǎng)中。

        將探頭所處區(qū)域局部放大，觀察模型I流量計(jì)和橢圓水滴型流量計(jì)的探頭流場(chǎng)分布情況如圖10，圖11所示。

        橢圓水滴流線型和流場(chǎng)流動(dòng)貼合度較高，由圖10與圖11對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橢圓水滴型邊界層厚度相比較圓柱體邊界層厚度而言，明顯變得較薄，并且最大的流速范圍也變寬了 [9] 。

        模型I流量計(jì)：由圖10發(fā)現(xiàn)，探頭所處區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)不太穩(wěn)定，探頭處在速度等值線是(4.90~5.16) m/s的范圍，探頭測(cè)量到的信號(hào)會(huì)有波動(dòng)。

橢圓水滴型流量計(jì)：由圖11發(fā)現(xiàn)，速度等值線位4.56 m/s處范圍變大，將整個(gè)探頭表面覆蓋了，此時(shí)探頭所測(cè)量到的信號(hào)穩(wěn)定相對(duì)較好。

經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比普通圓柱型探頭，橢圓水滴型流量計(jì)的探頭測(cè)量的流場(chǎng)的信號(hào)強(qiáng)度變化不大，測(cè)量到的信號(hào)穩(wěn)定變高，信號(hào)波動(dòng)變小，信噪比得到了較大提升。

 

4. 結(jié)論

 

        文中采用Fluent流體軟件仿真分析了新型橢圓型和橢圓水滴型流量計(jì)的流場(chǎng)分布情況，并且分別將其流場(chǎng)分布情況與普通圓柱型流量計(jì)進(jìn)行比較，主要進(jìn)行了下面幾點(diǎn)分析：

        (1) 采用Fluent流體軟件對(duì)插入式電磁流量計(jì)的外部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，通過仿真可以直觀地觀察到流體速度的分布狀況，通過對(duì)探頭安裝于流量計(jì)兩側(cè)以及底面不同的流場(chǎng)分布情況，分析比較了探頭安裝不同位置的優(yōu)缺點(diǎn)。最終確定將探頭安置于有較強(qiáng)流場(chǎng)信號(hào)的位置：即流量計(jì)的兩邊，使探頭的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度有較大提高。

        (2) 將圓柱型流量計(jì)探頭伸入圓管后，流量計(jì)探頭周圍會(huì)產(chǎn)生圓柱繞流現(xiàn)象，促使探頭檢測(cè)信號(hào)引起較大波動(dòng)。所以文中提出將流量計(jì)外部機(jī)構(gòu)由圓柱改為橢圓型和橢圓水滴流線型，使壓差阻力減小，邊界層分離點(diǎn)盡量的后延，從而使探頭處于較穩(wěn)定的高速流場(chǎng)之中，進(jìn)一步使探頭檢測(cè)到的信號(hào)穩(wěn)定性提高。

        分別將模型I流量計(jì)與橢圓型流量計(jì)和橢圓水滴型流量計(jì)流場(chǎng)分布的分析仿真圖進(jìn)行對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)橢圓水滴型流量計(jì)比模型I和橢圓型流量計(jì)測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性都要好，較好的分析了橢圓水滴型流量計(jì)設(shè)計(jì)的可行性。