電磁水表的異徑管道流場仿真研究

宋菲菲

(寧波水表股份有限公司，寧波 315032)

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電磁水表的異徑管道流場仿真研究

宋菲菲

(寧波水表股份有限公司，寧波 315032)

采用Fluent軟件對圓形截面漸變?yōu)樾A形截面和矩形截面的異徑管道流場進(jìn)行三維建模和數(shù)值仿真，在中間截面面積基本相同的情況下，模擬了異徑管中的流場分布，并分析了中間橫截面的速度分布，中心截面的平均速度及進(jìn)出水口的壓力損失。研究表明，圓形截面和矩形截面的速度分布在兩端管道為10倍直管段時(shí)都是呈中線對稱分布的，而當(dāng)水表兩端直接為彎管時(shí)，圓形截面呈偏離分布，矩形截面呈中線對稱分布。另外，中間截面為矩形的中心面的平均速度比中間截面為圓形的平均速度增幅大，在壓力損失方面，矩形截面和圓形截面都沒有超出國家標(biāo)準(zhǔn)。由上述分析可知，利用Fluent軟件可對電磁水表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

電磁水表；異徑管道；速度分布；平均速度；壓力損失

0 引言

水表是重要的民生計(jì)量器具，隨著我國城鎮(zhèn)生活需水量的增加對水表行業(yè)提出更高的要求，自動化程度高的流量儀表正在慢慢取代傳統(tǒng)機(jī)械式水表。電磁水表是一種基于法拉第電磁感應(yīng)原理的智能水表，與電磁流量計(jì)測量原理相同，但由于使用工況不同，在具體的關(guān)鍵技術(shù)方面又區(qū)別于普通電磁流量計(jì)[1]。其具有測量精度高，響應(yīng)速度快，壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮闹悄芩韀2]。

對于電磁流量計(jì)的異徑管道，目前國內(nèi)的相關(guān)文獻(xiàn)較少，主要是通過在原來圓形橫截面管道的基礎(chǔ)上增加縮徑圓管，再采用小口徑傳統(tǒng)電磁流量計(jì)對增速的流量進(jìn)行測量，以提高測量精度。我公司針對我國電磁水表發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后先進(jìn)國家的現(xiàn)狀，研究小口徑電磁水表。從微功耗勵(lì)磁、微弱信號處理，以及權(quán)重函數(shù)分布技術(shù)三項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)入手[3]，深入研究基于電磁感應(yīng)測量原理的水流量計(jì)量與信號處理技術(shù)，并進(jìn)行產(chǎn)品樣機(jī)的研制。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善流量測量理論，開發(fā)具有高精度、寬范圍、長壽命的新型小口徑電磁水表，填補(bǔ)我國在該技術(shù)領(lǐng)域的空白。

1 電磁水表測量原理

電磁水表是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。其勵(lì)磁線圈將磁場施加給被測流體，從而通過檢測磁場中運(yùn)動流體的感應(yīng)電動勢并進(jìn)行相應(yīng)的信號處理來實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確測量[4]。

對于圓形管道電磁水表，輸出信號電壓為：

Ε=Β×v×D

(1)

式中：E為感應(yīng)電動勢;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;v為運(yùn)動平均速度;D為兩電極之間的距離(對于圓形管道，D為測量管內(nèi)徑)。

假設(shè)管道的橫截面積為A，流量為q，則式(1)為：

Ε=Β×D×q÷Α

(2)

對于高為h，寬為D，橫截面積為矩形的長方體管道，則式(2)變?yōu)椋?/p>

Ε=Β×q÷h

(3)

在建立電磁流量計(jì)這個(gè)基本方程的過程中作了如下假設(shè)[5]：

1)流體磁導(dǎo)率μ均勻，且等于真空中磁導(dǎo)率，即流體是非磁性的；

2)流體的電導(dǎo)率均勻，并滿足歐姆定律；

3)流體中位移電流可忽略；

4)磁場在無限大范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B是均勻分布；

5)充分發(fā)展流，對圓管而言呈軸對稱分布。

式(1)表明感應(yīng)電動勢正比于平均流速。但當(dāng)流體的流速很低時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢很小，難以同噪聲進(jìn)行區(qū)分，致使測量誤差增大。因此，限制了電磁水表的測量下限，對儀表的靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生影響。異徑管設(shè)計(jì)要求在不改變原流場特性的條件下，適當(dāng)縮徑以增加流速來提高測量靈敏度。

2 模型仿真

2.1 模型建立

針對Φ20口徑的電磁水表，本模型由進(jìn)出水口的直徑Φ22mm縮小為圓形直徑為Φ10mm或者矩形長為15mm，寬為5mm，長度均為20mm的管道，考慮平面空間關(guān)系，在SolidWorks分別建立橫截面為圓形和矩形的電磁水表流體仿真模型，包括前后直管段，前后平面彎管段以及前后空間彎管段三種。三種模型圖如圖1～圖6所示。

圖3 圓形截面平面彎管

圖4 矩形截面平面彎管

圖5 矩形截面空間彎管

圖1 圓形截面前后直管段

圖6 圓形截面空間彎管

2.2 網(wǎng)格劃分

將SolidWorks文件轉(zhuǎn)換為Parasolid格式文件導(dǎo)入ANSYS ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6]。定義流體區(qū)域，入口邊界和出口邊界。網(wǎng)格模型如圖7和圖8所示。

圖7 矩形截面網(wǎng)格

圖8 圓形截面網(wǎng)格

2.3 Fluent仿真

在Fluent中進(jìn)行邊界條件設(shè)置。模型求解方法選擇默認(rèn)設(shè)置的非耦合求解方法；定義流體的物理性質(zhì)為水；針對Φ20口徑的電磁水表，取流速為0.1m/s,定義為速度入口，出流出口，其他面默認(rèn)為壁面邊界。再根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出Re為2185，所以選擇穩(wěn)態(tài)計(jì)算，k-ε湍流模型[7]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 直管仿真結(jié)果分析

在兩端都是10倍直管段電磁水表仿真分析中，中心截面的速度分布如圖9和圖10所示。

圖9 圓形截面速度分布圖

圖10 矩形截面速度分布圖

由以上兩個(gè)速度分布圖上可以看出，在前后10倍直管段的情況下，中心截面上的速度分布基本上是均勻的，呈中線對稱分布，但是根據(jù)Fluent軟件的面積分功能還可比較一下中間截面的速度提速及壓力損失情況，對比如表1所示。

表1 矩形截面和圓形截面比較

由表1可以看出，矩形截面的中心截面提速大約為5倍，圓形截面基本沒有提速；而壓力損失方面，矩形截面雖然比圓形截面壓力損失大很多，但是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，也是在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，可以接受[8]。通過實(shí)驗(yàn)分析，此兩種情況下的壓力損失分別為47Pa和6.8Pa，與理論分析計(jì)算結(jié)果接近。

3.2 平面彎管仿真分析

平面彎管是電磁水表管道處直接加入與電磁水表本來管道垂直的，而進(jìn)出水口兩端管道相互平行的10倍直管段的彎管，流場仿真模型分析后，中心截面的速度分布如圖11和圖12所示。

圖11 圓形截面速度分布圖

圖12 矩形截面速度分布圖

由以上兩個(gè)速度分布圖上可以看出，在前后平面彎管的情況下，圓形截面上的速度分布不均勻，矩形截面上的速度分布基本上是呈中線對稱分布，另外根據(jù)Fluent軟件的面積分功能還可比較一下中間截面的速度提速及壓力損失情況，對比如表2所示。

表2 矩形截面和圓形截面比較

由表2可以看出，矩形截面的中心截面提速大約為5倍，圓形截面基本沒有提速；而壓力損失方面，矩形截面雖然比圓形截面壓力損失大很多，但也是在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

3.3 空間彎管仿真分析

空間彎管是在電磁水表管道兩端直接加入與水表本來管道垂直的，而進(jìn)出水口管道也相互垂直的10倍直管段的彎管，仿真模型分析后，中心截面速度分布如圖13和圖14所示。

圖13 圓形截面速度分布圖

圖14 矩形截面速度分布圖

由以上兩個(gè)速度分布圖上可以看出，在前后空間彎管的情況下，圓形截面上的速度分布不均勻，矩形截面上的速度分布基本上是呈中線對稱分布，另外根據(jù)Fluent軟件的面積分功能還可比較一下中間截面的速度提速及壓力損失情況，對比如表3所示。

由3表可以看出，矩形截面的中心截面提速大約為5倍，圓形截面基本沒有提速；而壓力損失方面，矩形截面雖然比圓形截面壓力損失大很多，但也是在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

表3 矩形截面和圓形截面比較

4 結(jié)束語

本文針對橫截面由圓形漸變?yōu)樾A形截面和矩形截面的異徑電磁水表管道進(jìn)行了三維模擬仿真，分析了在水表前后水管分別為直管段、平面彎管段和空間彎管段三種情況下的中心截面的速度分布圖，提速情況以及壓力損失情況。從本文的研究結(jié)果可以看出，通過Fluent軟件進(jìn)行電磁水表的有限元分析對以后的研究有一定的參考意義。

[1] 周慶，等.實(shí)用流量儀表的原理及其應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2003

[2] 蔡武昌，應(yīng)啟戛.新型流量檢測儀表.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005

[3] 蔡武昌.微小流量儀表性能及其應(yīng)用.北京：石油化工自動化，2009(4)：1-5

[4] 蔡武昌，馬中元，瞿國芳，等.電磁流量計(jì).北京：中國石化出版社，2004:25-54

[5] 張小章.流動的電磁感應(yīng)測量理論和方法.北京：清華學(xué)出版社，2010：7-8

[6] 胡坤，李振北.ANSYS ICEM CFD工程實(shí)例詳解.北京：人民郵電出版社，2014

[7] 劉樹紅，吳玉林，周雪漪，陳慶光.應(yīng)用流體力學(xué).北京：清華大學(xué)出版社，2006

[8] GB/T 778.3—2007/ISO 4064-3:2005封閉滿管道中水流量的測量飲用冷水水表和熱水水表第3部分：試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.07.11