摘要：利用專業(yè)的流場動力學(xué)計算分析軟件,通過建立異徑管電磁流量計流場的模型,計算分析異徑條件下電磁流量計流場的動力學(xué)特性。計算研究表明:異徑條件下流場的人口流速,電極之間的距離對流場中心點的速度,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)下流場特性的變化,證明異徑電磁流量計在低流速下的計量精度和準(zhǔn)確性具有--定的優(yōu)勢。研究分析結(jié)果對異徑條件下電磁流量計管道的優(yōu)化和改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)和借鑒經(jīng)驗。
0引言
電磁流量計是目前世界上應(yīng)用比較廣泛的測量液體流量計之一,因其測量精度高、穩(wěn)定性好廣泛應(yīng)用于石油石化、化工、污水處理等各個行業(yè)。目前國內(nèi)生產(chǎn)的電磁流量計管道都為均勻的圓管。由于電磁流量計特殊的計量原理和管道形.狀要求圓管,電磁流量計在實際計量中要求必須滿管流,即管道流速為中心軸對稱分布由此,具有均勻磁場和點電極的電磁流量計的流速和電磁流量計的輸出信號成一個正比的關(guān)系。就目前電磁流量計應(yīng)用的實際情況來看，在低流速下電磁流量計的測量精度和穩(wěn)定性都不是很高”。國外流量計量專家Keinsdjk把縮頸作為異徑設(shè)計的一個方向,通過設(shè)計不同的中間管道的形狀來研究異徑管道對電磁流量計流場的影響[4]。此外，Korsunskii等人也研究了中間管道為長方形時不同參數(shù)對電磁流量計流場特性的影響5。我國計量學(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流場的特性61,因，此如何在低流速下提高電磁流量計的測量精度和穩(wěn)定性一直以來都是電磁流量計改進(jìn)和優(yōu)化的一個重點。為了適應(yīng)電磁流量計在低流速、低耗能下計量的要求，電磁流量計研發(fā)人員從管道結(jié)構(gòu)、電磁激勵方式、電路分布、電極形狀等各個方面都進(jìn)行了研究和分析,并取得了--定的進(jìn)展。
對于異徑管道的電磁流量計,目前國內(nèi)研究的都比較少。異徑管道下的電磁流量計主要指通過改變普通的圓管道,在實際計量時創(chuàng)造一個特殊的滿管環(huán)境來提高電磁流量計在低流速和不滿管情況下的測量精度和穩(wěn)定性。
1電磁流量計工作原理，
電磁流量計是一種利用法拉第電磁感應(yīng)定律來檢測液體流量的一種流量計。磁勵線圈將磁場通過電極施加給被測導(dǎo)電液體以后,被測導(dǎo)電液體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,通過檢測感應(yīng)電動勢并進(jìn)行相應(yīng)的信號處理實現(xiàn)對經(jīng)過流量計流量的檢測。
對于一般圓形管道的電磁流量計輸出的電壓信號為:
式中:E為電磁感應(yīng)電動勢;B為磁場強度;V為流體流動的平均流速;D為兩個電極之間的距離(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:
在建立電磁流量計這個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)展流對于圓管是軸對稱分布的;
4)流體中的位移電流小到基本.上可以忽略;
5)電磁感應(yīng)強度B是均勻分布的。
由式(1)和式(2)可以看出感應(yīng)電動勢與流體在流場中的平均流速和磁極之間的距離有關(guān)。在實際的使用情況中由于有時電磁流量計的工作環(huán)境比較復(fù)雜,當(dāng)流體流速較低時,產(chǎn)生的感應(yīng)電.動勢比較低，有時候和噪聲難以區(qū)分,由此導(dǎo)致了電磁流量計測量靈敏度和準(zhǔn)確性的降低。
2仿真計算模型的建立
異徑電磁流量計就是在不改變原有流場分布的情況下,用適當(dāng)?shù)目s徑來提高流速,以此提高電磁流量計的測量準(zhǔn)確性和靈敏度
圖1與圖2分別為傳統(tǒng)電磁流量計與分析的異徑電磁流量計簡圖。由式(1)及電磁流量計的工作原理可以自行推導(dǎo)出圖2所示異徑電磁流量計的公式:
首先在分析圖2所示的異徑電磁流量計流場時定義一個距離,即:D=D1–H1–H2;帶人式(1)即可得:
3流場計算分析
在分析中以DN80口徑的管道為模型,流場動力學(xué)計算方式為:速度人口,充分發(fā)展流為出口,分別討論計算流速為0.1m/s、10m/s時流，場流速、壓力等參數(shù)的變化趨勢以及不同參數(shù)對流場特性的影響。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時中心點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具有提高測量靈敏度和準(zhǔn)確性的優(yōu)勢
由表1可以看出,在計算時設(shè)定速度為0.1m/s和10m/s時,中心點的速度約為入口速度的1.78倍,仍然在可以測量的范圍之內(nèi),其壓力損失也符合電磁流量計檢定規(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軸方向為流體流動方向,在這個方向上速度隨位置的變化隨著Z軸方向的延伸速度是-一個緩慢增加的過程,到中心點(變徑的位置)時速度達(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,但不是簡單的線性增長關(guān)系。因此在實際的應(yīng)用中.應(yīng)該合理地選擇異徑電磁流量計和合適的人口速度。
4不同參數(shù)對其流場特性的影響
在計算和研究異徑電磁流量計兩電極之間的距離和壓力損失以及中心點速度的關(guān)系時,以流場初始流速為0.1m/s的條件下分別計算分析了不同距離下流場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,以0.1m/s的入口速度時出口速度達(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速度與進(jìn)出口壓力都在減小，且中心點速.度隨兩電極的距離減小的趨勢要大于進(jìn)出口壓力減小的趨勢,進(jìn)出口壓力隨兩電極之間距離減小的趨勢并不是一個簡單的線性關(guān)系。
5結(jié)束語
通過專業(yè)的流體分析軟件分析計算了異徑電磁流量計流場的特性,分析探討了不同條件下,不同參數(shù)對其流場動力學(xué)特性的影響,分析計算表明異徑電磁流量計流場在不同的入口速度,以及不同的電極之間的距離對其流場的特性都有較大的影響，但是在低流速下異徑電磁流量計有利于提高計量精度和準(zhǔn)確性。
仿真計算結(jié)果也說明了異徑電磁流量計在實際生產(chǎn)和使用中具有可行性,在低流速下它比常規(guī)電磁流量計更具有優(yōu)勢,在管道異徑位置的設(shè)置和距離上并不一定存在一個最優(yōu)的結(jié)果,在實際設(shè)計和應(yīng)用中要根據(jù)具體流場的特性和實際情況而定,以異徑管道的選取不能改變原有流場特性為最基本原則。
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