摘要：利用專業(yè)的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析軟件,通過建立異徑管電磁流量計(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)的人口流速,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--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)。
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。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”。國(guó)外流量計(jì)量專家Keinsdjk把縮頸作為異徑設(shè)計(jì)的一個(gè)方向,通過設(shè)計(jì)不同的中間管道的形狀來研究異徑管道對(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61,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--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。
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:
式中:E為電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);B為磁場(chǎng)強(qiáng)度;V為流體流動(dòng)的平均流速;D為兩個(gè)電極之間的距離(如果是均勻的圓形管道則D為圓形管的直徑)。
假定管道的橫截面積為A,流量為q,則上式可以寫成:
在建立電磁流量計(jì)這個(gè)基本方程的過程中前人作了如下的假設(shè)
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)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
圖1與圖2分別為傳統(tǒng)電磁流量計(jì)與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:
首先在分析圖2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;帶人式(1)即可得:
3流場(chǎng)計(jì)算分析
在分析中以DN80口徑的管道為模型,流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算方式為:速度人口,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的分析說明在下面分析中體現(xiàn)。
從速度矢量圖和壓力云圖的分布上可以看出，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)
由表1可以看出,在計(jì)算時(shí)設(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軸方上速度隨Z軸的位置圖(圖6)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。
從壓力損失和速度關(guān)系的圖(圖7)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)和合適的人口速度。
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。
由圖8可以看出,在變徑過小時(shí),以0.1m/s的入口速度時(shí)出口速度達(dá)0.31m/s,是人口速度的3.1倍,但是從跡線圖中也可以看出當(dāng)流體流過中心位置時(shí)也產(chǎn)生了嚴(yán)重的回流現(xiàn)象,且壓力損失達(dá)101318.05Pa。
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
通過專業(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。
仿真計(jì)算結(jié)果也說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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