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电磁九号彩票线上投注计异径管道的流场仿真研究 
发布时间:2018-08-06

摘要:采用Fluent软件对圆形截面渐变为矩形截面的异径管道流场进行兰维建模和数值仿真,分析了横截面收缩异径管的速度分布和流线,建立了矩形截面部分的长度、宽度、高度与进出口压力损失和中心截面平均速度之间的关系.研究表明,中间矩形截面部分的宽度和高度对进出口压损和中心截面平均速度影响较大,同时横截面积收缩比例太大会导致流场紊乱和回流现象,从而为合理设计局部横截面积收缩的电磁九号彩票线上投注测量管道提供了理论依据.
  目前国内生产的电磁九号彩票线上投注计测量管道多为均匀圆管,由于其拥有诸多优越特性,所以应用领域越来越广.然而电磁九号彩票线上投注计在原理上要求管道流速为中心轴对称分布,这样,具有均匀磁场和点电极的电磁九号彩票线上投注计的输出信号与流速成正;同时电磁九号彩票线上投注计在低流速的小九号彩票线上投注测量时,可靠性和精确度都不太理想.所以,如何在低流速小九号彩票线上投注下实现九号彩票线上投注的精确测量和低功耗设计成为人们关注的热点[1-2J为了适应低功耗设计要求,目前研究人员在电磁九号彩票线上投注计的励磁方式、管道结构、硬件电路和电极形状等方面进行了不断深入的研究[3-5J并取得了不同程度的进展.
  对于异径管道,目前国内的相关文献较少.主要是通过在原来圆形横截面管道的基础上增加缩径圆管,再采用小口径传统电磁九号彩票线上投注计对增速的九号彩票线上投注进行测量[町,以提高测量精度.Heijnsdijk[7J等把缩径作为电磁九号彩票线上投注计管道结构的一部分,并设计了不同形状的中间管道截面.Korsunskii[町等证明对于矩形截面管道,电极上的感应信号不依赖于流速分布.Lim[9J对传统的电磁九号彩票线上投注计进行改进,设计了长方体管道结构和磁场结构,分析了矩形电极的权重函数分布.
  本文针对横截面积局部收缩为矩形的电磁九号彩票线上投注测量管道内的速度分布、压力损失和流动特性进行Fluent仿真研究,欲为合理的电磁九号彩票线上投注计管道结构设计提供一定的理论依据.
1电磁九号彩票线上投注计原理
  电磁九号彩票线上投注计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积九号彩票线上投注的仪表.其励磁线圈将磁场施加给被测流体,从而通过检测磁场中运动流体的感应电动势并进行相应的信号处理来实现九号彩票线上投注的准确测量。
对于圆形管道电磁九号彩票线上投注计,输出信号电压为:
E=B×`n×D(1)
式中:E为感应电动势,B为磁感应强度,`n为运动平均速度,D为两电极之间的距离(对于圆形管道,D为测量管内径).
假设管道的横截面积为A,九号彩票线上投注为q,则(1)式为:

在建立电磁九号彩票线上投注计这个基本方程的过程中作了如下假设;
1)流体磁导率μ均匀,且等于真空中磁导率,即流体是非磁性的;
2)流体的电导率均匀,并满足Ohm定律;
3)流体中位移电流可忽略;
4)磁场在无限大范围内,磁感应强度B是均匀分布;
5)充分发展流,对圆管而言呈轴对称分布.
  式(1)表明感应电动势正比于平均流速.但当流体的流速很低时,产生的感应电动势很小,难以同噪声进行区分,致使测量误差增大.因此,限制了电磁九号彩票线上投注计的测量下限,对仪表的灵敏度、稳定性和可靠性产生影响.异径管设计要求在不改变原流场特性的条件下,适当缩径以增加流速来提高测量灵敏度.而矩形截面管道相对于圆形截面管道,电极上的感应信号不依赖于管道横截面的流速分布[12J?Bevir[13J证明在磁场均匀和电极形状为矩形的条件下,这种依赖性很小,可忽略不计.
电磁九号彩票线上投注计的励磁电路,线圈臣数N,励磁电流I,磁通势F为:

  由(7)式可知,磁感应强度B与励磁电流成正比,与磁路的平均长度L成反比.对于相同励磁电路、相同两电极之间距离D和相等管道横截面积的圆管和矩形管,矩形管的高度h小于圆管直径D.假设磁路与管道之间的距离为hw,管道横截面积为圆形和矩形的磁路平均长度L分别为h+2hw和D+2hw·因此,励磁电流相同时矩形管道磁感应强度大于圆形管道的磁感应强度.若需要得到相同磁感应强度B,矩形截面管道所需励磁电流较小,可提高电磁九号彩票线上投注计的低功耗特性.
2模型仿真
2.1模型的建立与网格的划分
电磁九号彩票线上投注计异径管网格模型图
2.2Fluent内部参数设置
  对Fluent中的各参数设置如下:模型求解方法选择默认设置的非搞合求解方法;定义流体的物理性质为水;选用k-f.揣流模型[15J初始流速0.1m/s和5m/s,水力直径50mm,Yi白流强度分别为5.5%和3.38%.
3仿真结果分析
3.1异径管道流场分布
  对局部矩形横截面的异径管道,在矩形部分长度80mm,宽度38mm,高度20mm,管道总长200mm的条件下采用Fluent软件进行流场仿真,管道初始流速分别为0.1m/s低流速和5m/s最大流速.其压损和中心截面平均速度如表1:

  表1指出低流速0.1m/s时异径管道中间流速增加2.58倍,提高了测量灵敏度和精确度.初始流速5m/s时,其压力损失符合冷水水表的检定规程[1叫额定工作条件下的最大压力损失应不超过0.063MPa.中间流速也增加2.58倍为12.9m/s,仍在传统电磁九号彩票线上投注计的测量范围内,但更大初始流速可能会超出测量范围.因此,应根据使用条件合理设计管道尺寸.图2、图3(其中X、Y轴坐标单位均为m;速度单位为m/s)和图4表明异径长方体管道的流场特性稳定,设计长方体异径管道电磁九号彩票线上投注计具有可行性.
电磁九号彩票线上投注计异径管迹线图
电磁九号彩票线上投注计速度云图
电磁九号彩票线上投注计异径管Y轴长度方向速度分布图
3.2异径管道流场畸变
  对横截面由圆形渐变为矩形的异径管道,在矩形截面部分长度80mm,宽度20mm,高度5mm,管道总长度为200mm的设定条件下采用Fluent软件进行流场仿真,管道初始流速0.1m/s.进出口压损1903.8014Pa,中心截面平均速度2.4529221m/s,增加24.5倍.根据图5、图6可知,如果矩形截面部分的高度和宽度压缩太大会导致回流现象,同时异径管的出口压力相对于进口压力小太多,出现渐扩管有严重的揣流现象,流场变化较大.
电磁九号彩票线上投注计异径管迹线图
异径管Y轴长度方向速度分布图
3.3异径管道横截面积收缩部分不同长度的影晌
  对横截面由圆形渐变为矩形的异径管道,在矩形截面部分宽度38mm,高度20mm,长度为100~40mm,以步长10mm变化,管道总长200mm的条件下采用Fluent软件进行流场仿真.管道人口初始流速设定为O.1m/s.仿真结果如表2.异径管长度方向上的压力损失由沿程压力损失引起,差别较小,中心截面平均速度基本保持不变.

3.4异径管道横截面积收缩部分不同宽度的影响
  对横截面由圆形渐变为矩形的异径管道,在矩形截面部分长度80mm,高度20mm,宽度为48~20mm,以步长2mm变化,管道总长200mm的条件下采用Fluent软件进行流场仿真,管道人口初始流速设定为0.1m/s.得压损和中心截面平均速度分布如图7.宽度越小压力损失越大,但中心截面平均速度也越大,随着宽度的减小,压损和中心截面平均速度增幅增大.
电磁九号彩票线上投注计进出口压损和中线截面平均速度与中间长方体宽度的关系曲线图
3.5异径管道横截面积收缩部分不同高度的影晌
  对横截面由圆形渐变为矩形的异径管道,在矩形截面部分长度80mm,宽度50mm,高度为30~8mm,以步长2mm变化,管道总长200mm的条件下采用Fluent软件仿真其流场分布,管道人口初始流速O.1m/s.得压损和中心截面平均速度分布如图8.高度越小压力损失越大,且中心截面平均速度也越大.随着高度的减小,压损和中心截面平均速度增幅增大.
电磁九号彩票线上投注计进出口压损和中线截面平均速度与中间长方体高度的关系曲线图
4结语
  本文对横截面由圆形渐变为矩形的异径电磁九号彩票线上投注计管道进行了三维模拟仿真.缩径矩形截面部分流体流速增加且流速在管道横截面上分布均匀,有利于低流速小九号彩票线上投注的精确测量.矩形截面部分的宽度和高度对进出口压损和中心截面平均速度影响较大.矩形截面异径管感应电动势与磁感应强度B成正比,与矩形横截面的高度h成反比,由此高度h越小越好.但当高度相对于圆形人口的通径D收缩较大时,渐扩管中会出现明显的揣流和空穴现象,因此收缩比例不能太大.采用具有局部收缩的矩形截面的测量管道可提高电磁九号彩票线上投注计的励磁效率和传感器输出信号的幅度,有利于实现电磁九号彩票线上投注计的低功耗设计.
  从本文研究结果可知,设计横截面由圆形渐变为矩形的异径管道电磁九号彩票线上投注计具有可行性,理论上并不存在管道尺寸的最优解,具体的管道尺寸则根据不改变原流场特性太多、流体速度范围和压力损失等要求来决定.相对于圆形截面管道,所研究的横截面由圆形渐变为矩形的异径管道电磁九号彩票线上投注计还具有磁场均匀、与流速分布无关、低功耗等优点.

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