摘 要 運用計算流體力學(CFD)方法，對插入式電磁流量計插入大口徑管道的探頭進行三維仿真實驗，研究兩電極在管道中采集到的有效信號的范圍。提出了用于表征真實信號作用的等效信號范圍的概念和確定方法，得出了插入式電磁流量計采集到的等效信號范圍是由自身硬件結構決定而不隨來流速度變化的結論，為通過 CFD 定量分析插入式電磁流量計管內流場變化奠定了基礎。
隨著流量計量行業的發展，插入式電磁流量計以其低成本、安裝維修方便等優點廣泛應用于大口徑管道流量的測量。盡管插入式電磁流量計測量屬于點測量，但用插入管道的探頭即傳感器上的兩個電極采集信號，探測到的是一定區域內流體的信息。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，而其中使用最為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 就是基于此。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，提出了信號作用范圍的概念和確定方法。
1 基本原理
1. 1 信號作用范圍的定義
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 ［3，4］ 。所以，對于大口徑管道，插入式電磁流量計傳感器探頭電極能檢測到的流量信號實際上是被測管道內傳感器探頭附近某一空間區域的電信號，而并非覆蓋整個管道 ［5，6］ 。所以，本文對信號作用范圍做了一明確定義。信號作用范圍是指電極附近的某一空間區域，該區域內導電流體切割磁感線所產生的電動勢對流量檢測結果起決定性作用。
1. 2 等效半徑 R 的定義
在流場中，信號越強則越容易被電極接收到，場內每點產生的信號大小與流過該點的流速有關，而插入式電磁流量計由于探頭的插入導致流場分布發生變化，故可知電極不是在其周圍等距離的采集有效信號，即實際的信號作用范圍是不規則的區域。為了方便研究，用下述方法定義等效信號范圍。一個在電極周圍的具有半徑 R 的球形區域 V R ，使它與實際信號作用范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，V R 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。只要確定出等效半徑 R，就能表征出等效信號作用范圍 V R 。
1. 3 等效半徑 R 研究方法
根據體積流量的計算公式可知:
Q V = AU (2)
式(2)中 U 指的是截面 A 的面平均流速。而在儀表測量時實際檢測到的流速應該是信號作用范圍內的整體平均流速，通過標準裝置檢定得到儀表的轉換系數 K，可以把信號作用范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面(簡稱最小截面)的面平均流速，從而計算出流量值。故在仿真時可以把信號作用范圍內的平均流速代替最小截面的平均流速，通過這個原理可以對信號作用范圍進行求解和驗證。
1. 4 等效半徑 R 分析步驟
關于等效半徑 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 與該半徑球形區域范圍內平均流速之間的關系;②根據連續性方程求得最小截面的理論平均流速;③利用插值方法確定該來流速度下信號作用范圍的等效半徑 R;④改變來流速度重復此模擬實驗。
2 信號作用范圍的確定方法
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。在保證前后直管段的基礎上，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
分別取1. 44、1. 92、0. 09，湍動能和耗散率分別取 1. 0 和 1. 3。根據信號作用范圍概念可知，只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范圍內，則計算域內的平均速度為:
分別取1. 44、1. 92、0. 09，湍動能和耗散率分別取 1. 0 和 1. 3。根據信號作用范圍概念可知，只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范圍內，則計算域內的平均速度為:
2. 2 最小截面理論流速的求解
所研究的背景是插入式電磁流量計用于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，A 1 為管道截面積，U 1為最小截面理論流速，A 2 為最小截面積。用 GAMBIT 軟件建立模型，可直接得出 A 2 =117 961. 70 mm 2 。取來流速度在 0. 5 ～10 m/s 范圍內的 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面的理論流速 U 1 。
2. 3 計算域內的平均流速和計算域半徑之間的關系
取計算域半徑在 10 ～ 80 mm 的范圍內，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。
從表 1 數據可以看出，隨著計算域半徑的增大，計算域內的平均流速逐漸減小。這是因為在計算域半徑較小時，在探頭附近的湍流活動比較劇烈，導致了此區域內的平均流速過大;而當計算域半徑較大時，最外層區域的流體流動情況減弱，即那些區域對信號不起決定性作用，導致了平均流速過小，同時也說明了等效信號作用范圍的存在。
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 方法用于確定信號作用范圍的可行性。且可以得出以下結論:信號作用范圍是由插入式電磁流量計自身硬件決定的，一旦一臺插入式電磁流量計制作出來其等效信號作用范圍就已確定，不會受到流體來流速度的影響;但當其磁路系統發生變化時，此時的信號作用范圍的大小也會隨之改變。這為以后對插入式電磁流量計插入管道后的流場分析提供了一個更佳的途徑和方法。
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