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插入式電磁流量計

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橢圓水滴型插入式電磁流量計幾何模型的仿真分析

來源:作者:發表時間:2017-08-29 09:45:04

 摘 要:插入式電磁流量計工作原理是基于法拉第電磁感應定律,管道中氣體、液體介質流經傳感器探頭時切割磁感線,引起磁感應電動勢,因此探頭周邊流場的分布情況對流量計的測量結果會產生比較大的影響。文中采用Fluent流體仿真軟件對電磁流量計傳感器的多種幾何模型進行仿真分析,觀察傳感器在流場中形成的高速繞流區域和邊界層,研究傳感器周邊流場變化給電極帶來的影響。提出將傳感器的物理結構進行優化,將傳感器的探頭位置設計安裝于傳感器兩邊,并將圓柱體的物理結構模型改成橢圓型和橢圓水滴型。通過進一步建模仿真發現,橢圓水滴型傳感器測量的信號強度更強、穩定性也較高。

 
1. 引言
        插入式電磁流量計通常包含傳感器和變送器兩部分。傳感器主要是用來測量介質流動切割磁感線產生的感應電動勢,并將其傳輸到變送器;變送器將此感應電動勢信號進行放大,并將放大后的信號轉換成可以直觀檢測到的標準輸出信號 [1] 。
通常情況下,插入式電磁流量計探頭普遍安裝于底側區域,但是這樣設計的弊端是檢測到的信號會比較微弱而不宜被檢測到。文中提出將探頭安裝于傳感器兩側,利用傳感器兩側的繞流引起的高速流場信號來提高信噪比。普通插入式流量計傳感器的外部形狀是圓柱體,周圍的繞流作用會使外部流場帶來比較大的波動。本文先從優化傳統插入式電磁流量計物理結構的角度出發,先進行理論推導分析,進一步提出了橢圓水滴型的物理外形。
 
2. 插入式流量計流場分析
2.1. 插入式流量計結構分析
        傳感器插入管道時,介質在流過探頭時將產生繞流現象,傳感器周圍會有比較大的流場波動,電極測量到的信號穩定性差,波動大 [2] 。文中采用CFD技術對傳感器的物理結構建模,分析傳感器還有電極周邊的流場分布情況,進而為選擇**佳的傳感器模型提供設計方案和依據。
通常,插入式流量計結構有以下兩種設計模型,傳感器外形都是圓柱體,主要區別在于電極的安置位置,一種是安置于傳感器的兩側(以下簡稱結構I),一種是安置于傳感器的底端(以下簡稱結構II) [3] ,模型I、模型II分別如圖1所示。
圖1
插入式流量計模型I (II)
2.2. 插入式電磁流量計流場分析
 
        文中采用Fluent流體仿真軟件對傳感器周邊流場進行建模仿真,雷諾數Re = ρvd/μ,參數d、µ和v分表代表特征直徑、運動粘度和流速,雷諾數如表1所示。
進口流速
        三維模型仿真結果不便于觀測,并且要對模型內部的層面的計算結果進行觀察,因此要創建一些內部面。利用Gambit構建仿真模型,重點觀測電極所處區域周邊流場 [4] 。
 
2.3. 模型I傳感器流場分析
        文中主要研究電極周圍的流場分布情況,因為有圓柱繞流的影響,所以我們觀測電極所在平面兩側
流場的變化情況。進口流速設定1 m/s,文中采用速度等值圖來觀測電極所處位置的流場的變化情況,傳感器速度等值圖如下圖2所示。
圖2
z = 0.06 m流量計速度等值圖
        從圖2可以發現,傳感器周邊產生圓柱繞流,雷諾數Re = 2 × 104,此時處于亞臨界,傳感器尾流變化成湍流態,邊界層狀態仍是層流態 [5] ,尾部有渦街現象產生。
        由圖2可以發現,水流流經流量計的時候,流量計周圍的流場會受到圓柱繞流影響,兩側部分產生了高速流場,水流無法很好地貼合流量計后半段壁面流動,致使流速減小,在120?時,邊界層開始產生分離現象,產生“尾渦區”,這在一定程度上破壞了周圍流場的穩定性,這時信號測量穩定性較差。
 
2.4. 模型II傳感器流場分析
        進口設定流速1 m/s,速度矢量云圖如圖3所示。
圖3
x = 0.02 m平面矢量云圖
        圖3是圓管x軸方向平面圖,從圖5發現,水流受到傳感器的阻擋,其流速方向改向傳感器右下區域,右下側部區域流速較高,而此時底面的流速較小,由圖中可以明顯發現在傳感器背側有較大渦流區域。將電極所處部分區域放大,速度等值圖如圖4所示。
圖4
x = 0.02 m平面速度等值放大圖
不同物體形狀流場
        從圖4可以看出,雖然電極位置安裝于底面,削弱了繞流作用的影響,但此時測量到的流場信號強度不強,引起傳感器信噪比較低。
 
2.5. 模型I與模型II傳感器對比分析
        對比模型I與模型II仿真結果我們知道,這兩種模型傳感器各有優點和缺點。
        模型I傳感器的優點:由于繞流作用,探頭此時檢測到的信號強度較強;缺點:在距離探頭較近的區域,傳感器的邊界層發生分離,電極周邊流場產生了較大波動,探頭檢測到的信號穩定性較差、波動較大。
        模型II傳感器的優點:由于我們將探頭安裝于底側,由于遠離“尾渦區”,探頭周圍流場相對穩定些;缺點:從圖3和圖4我們可以發現,雖然傳感器右下側流場較高,但是在接近底面的區域流場速度不高,探頭由于處在此流場,因此測量到的信號強度不如模型I強。
        因此,上述模型的流量計不能夠滿足穩定性和信號強度的雙重要求。目前常見傳感器大都采用模型II設計,但當介質流速較低時,探頭檢測到的信號強度極其微弱,傳感器信噪比將會受到較大影響。
        文中計劃采用模型I,即將探頭安裝于傳感器兩側,利用圓柱繞流帶來的高速流場,提高探頭探測能力。但由于此時邊界層有分離脫落現象,探頭周邊流場信號波動變化較大,穩定性不高。
 
3. 新型插入式流量計流場分析
        模型I傳感器探測信號不穩定,是因為探頭的安裝位置距離邊界層分離點處較近所引起的,因為受到“尾渦區”的影響,探頭周邊流場波動較大,探頭檢測信號穩定性也不高。
        較為有效的方法就是使傳感器壓差阻力減小,進而使邊界層的分離點盡量向后推遲。繞流物體的形狀對壓差阻力有較大影響因素,為此文中從改變物體外形著手,來進一步研究怎樣使壓差阻力減小。
        由伯努力(Bernoulli)方程可知,水流動能變化量的大小能夠影響物體表面壓強變化量,他們之間成正相關:
公式1公式1
        等式左邊0170829100246.jpg表示單位流體介質體積上壓力的勢能,170829100253.jpg表示單位流體介質體積上動能,等式右邊為常數。
        由于粘性力影響,介質流經物體表面時,物體表面介質速度會減小。流體在流到物體后半部分時,邊界層會發生分離,進而產生渦流。而伯努利原理告訴我們,流體的動能與勢能的和是一個定量,二者是反比關系,所以“尾渦區”的壓力勢能勢必會降低,從而形成低壓區。根據壓差阻力公式(1),物體壓差阻力的決定性因素是物體與水流相互作用的**大橫截面積,而壓差阻力又被物體前后的壓強差所直接影響,這個壓強差也叫做壓強梯度 。
        為盡量降低壓差的阻力,降低因物體后半部流動減速過快引起的流動分離,設計外形的時候,盡量讓物體的后部流動速度緩慢降低,為此引出使物體得形狀由圓柱變為前面圓后面尖的流線體,比如外形橢圓水滴狀物體,水流能夠較好地經過流線型物體的表面,而幾乎沒有渦流現象 [7] 。
流體的運動中,流線型的物體所受阻力很小,壓差得阻力也很小,摩擦阻力主要控制繞流的阻力。
 
3.1. 橢圓水滴型電磁流量計流場分析
 
        流線型主要有三類,卡克斯流線型、雙半橢圓型與拋物線 + 半橢圓型。
分別對上面不同流線型用Fluent流體仿真軟件進行仿真,流速不相同,雷諾數也不相同,不同的流線型的摩擦阻力和壓差阻力關系圖6如下所示。
湍流下壓差阻力仿真
        綜上分析知道,以上三種流線型當中,雙半橢圓型與拋物線 + 半橢圓型流線體的壓差阻力相對較小,所以分別選擇雙半橢圓型與拋物線 + 半橢圓型流線體來設計傳感器的外形 [8] 。
        (1) 由很好節結論可知,相比模型II的傳感器來說,模型I傳感器信號的探測強度更強,因此筆者計劃將探頭安裝于傳感器兩邊;
        (2) 通常情況下,傳感器外部形狀多為圓柱狀,由于繞流作用的產生,探頭后面將有渦街現象,進而引起探頭周圍的流場波動較大,探測信號也不穩定,所以筆者選用傳感器外形的橫截面是雙半橢圓型的橢圓型柱體和拋物線 + 半橢圓型的橢圓水滴型柱體,盡量使傳感器得邊界層分離點往后邊推遲,將探頭處于穩定的流場中。與普通圓柱型比較,這兩種流量計和流場流動貼合度較好。
        由于傳統圓柱型的插入式電磁流量計由于自身形狀不可避免的會對所測流場產生一定干擾,電極檢測到的信號不夠理想,本文計劃分析設計出一種信號探測強度較強,探測信號穩定的傳感器,為此我們還要對雙半橢圓型的橢圓型柱體和拋物線 + 半橢圓型的橢圓水滴型柱體模型進一步分析。
 
3.2. 橢圓水滴型電磁流量計建模仿真
 
        用Fluent流體仿真軟件模擬流場仿真,設定水流流速為3 m/s,對管道中流場的情況進行分析,由于探頭安裝在傳感器兩邊,本文需要分析探頭周邊流場分布情形,所以我們選擇z平面視圖來觀測傳感器的兩邊流場分布。
        由前面分析知道,模型I流量計:流量計的探頭安裝于傳感器的兩邊,外部結構是圓柱形,為了更加方便的將模型I流量計,橢圓型流量計,橢圓水滴型流量計流場進行直觀對比,三種流量計Fluent仿真圖如圖7,圖8和圖9所示。
模型I流量計速度的等值圖
 橢圓型流量計速度云圖
橢圓水滴型流量計速度等值圖
 
        橢圓型流量計:從圖8可以發現,根據選取電極所在平面放大后的速度云圖進行觀察,可以看出,水流流經橢圓型流量計的時候,水流可以較好的貼合橢圓型流量計流動,“尾渦區”得到了很好的抑制,流量計前后部分的壓差阻力較圓柱型流量計要減小很多,這就相對穩定了流量計周圍的流場,所以將流量計模型制作成橢圓型能使其在流場中的穩定性更強。
        橢圓水滴型流量計:從圖9可以發現,流量計兩邊有高速的流場,流速**大值為4.57 m/s,邊界層在145?時產生分離,“尾渦區”尾跡逐漸變小。所以說,流量計外部形狀變化使邊界層的分離產生了推遲,探頭也離“尾渦區”遠了,此時探頭處在高速且較穩定流場中。
        將探頭所處區域局部放大,觀察模型I流量計和橢圓水滴型流量計的探頭流場分布情況如圖10,圖11所示。
模型I流量計探頭局部圖
        橢圓水滴流線型和流場流動貼合度較高,由圖10與圖11對比發現,橢圓水滴型邊界層厚度相比較圓柱體邊界層厚度而言,明顯變得較薄,并且**大的流速范圍也變寬了 [9] 。
橢圓水滴型流量計探頭局部圖
        模型I流量計:由圖10發現,探頭所處區域內的流場不太穩定,探頭處在速度等值線是(4.90~5.16) m/s的范圍,探頭測量到的信號會有波動。
橢圓水滴型流量計:由圖11發現,速度等值線位4.56 m/s處范圍變大,將整個探頭表面覆蓋了,此時探頭所測量到的信號穩定相對較好。
經過對比發現,相比普通圓柱型探頭,橢圓水滴型流量計的探頭測量的流場的信號強度變化不大,測量到的信號穩定變高,信號波動變小,信噪比得到了較大提升。
 
4. 結論
 
        文中采用Fluent流體軟件仿真分析了新型橢圓型和橢圓水滴型流量計的流場分布情況,并且分別將其流場分布情況與普通圓柱型流量計進行比較,主要進行了下面幾點分析:
        (1) 采用Fluent流體軟件對插入式電磁流量計的外部流場進行仿真分析,通過仿真可以直觀地觀察到流體速度的分布狀況,通過對探頭安裝于流量計兩側以及底面不同的流場分布情況,分析比較了探頭安裝不同位置的優缺點。**終確定將探頭安置于有較強流場信號的位置:即流量計的兩邊,使探頭的檢測信號強度有較大提高。
        (2) 將圓柱型流量計探頭伸入圓管后,流量計探頭周圍會產生圓柱繞流現象,促使探頭檢測信號引起較大波動。所以文中提出將流量計外部機構由圓柱改為橢圓型和橢圓水滴流線型,使壓差阻力減小,邊界層分離點盡量的后延,從而使探頭處于較穩定的高速流場之中,進一步使探頭檢測到的信號穩定性提高。
        分別將模型I流量計與橢圓型流量計和橢圓水滴型流量計流場分布的分析仿真圖進行對比,我們發現橢圓水滴型流量計比模型I和橢圓型流量計測量信號的穩定性都要好,較好的分析了橢圓水滴型流量計設計的可行性。
 
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