摘 要：插入式电磁流量计工作原理是基于法拉第电磁感应定律，管道中气体、液体介质流经传感器探头时切割磁感线，引起磁感应电动势，因此探头周边流场的分布情况对流量计的测量结果会产生比较大的影响。文中采用Fluent流体仿真软件对电磁流量计传感器的多种几何模型进行仿真分析，观察传感器在流场中形成的高速绕流区域和边界层，研究传感器周边流场变化给电极带来的影响。提出将传感器的物理结构进行优化，将传感器的探头位置设计安装于传感器两边，并将圆柱体的物理结构模型改成椭圆型和椭圆水滴型。通过进一步建模仿真发现，椭圆水滴型传感器测量的信号强度更强、稳定性也较高。

公式1

        等式左边表示单位流体介质体积上压力的势能，表示单位流体介质体积上动能，等式右边为常数。

        由于粘性力影响，介质流经物体表面时，物体表面介质速度会减小。流体在流到物体后半部分时，边界层会发生分离，进而产生涡流。而伯努利原理告诉我们，流体的动能与势能的和是一个定量，二者是反比关系，所以“尾涡区”的压力势能势必会降低，从而形成低压区。根据压差阻力公式(1)，物体压差阻力的决定性因素是物体与水流相互作用的**大横截面积，而压差阻力又被物体前后的压强差所直接影响，这个压强差也叫做压强梯度 。

        为尽量降低压差的阻力，降低因物体后半部流动减速过快引起的流动分离，设计外形的时候，尽量让物体的后部流动速度缓慢降低，为此引出使物体得形状由圆柱变为前面圆后面尖的流线体，比如外形椭圆水滴状物体，水流能够较好地经过流线型物体的表面，而几乎没有涡流现象 [7] 。

流体的运动中，流线型的物体所受阻力很小，压差得阻力也很小，摩擦阻力主要控制绕流的阻力。

 

3.1. 椭圆水滴型电磁流量计流场分析

 

        流线型主要有三类，卡克斯流线型、双半椭圆型与抛物线 + 半椭圆型。

分别对上面不同流线型用Fluent流体仿真软件进行仿真，流速不相同，雷诺数也不相同，不同的流线型的摩擦阻力和压差阻力关系图6如下所示。

        综上分析知道，以上三种流线型当中，双半椭圆型与抛物线 + 半椭圆型流线体的压差阻力相对较小，所以分别选择双半椭圆型与抛物线 + 半椭圆型流线体来设计传感器的外形 [8] 。

        (1) 由很好节结论可知，相比模型II的传感器来说，模型I传感器信号的探测强度更强，因此笔者计划将探头安装于传感器两边；

        (2) 通常情况下，传感器外部形状多为圆柱状，由于绕流作用的产生，探头后面将有涡街现象，进而引起探头周围的流场波动较大，探测信号也不稳定，所以笔者选用传感器外形的横截面是双半椭圆型的椭圆型柱体和抛物线 + 半椭圆型的椭圆水滴型柱体，尽量使传感器得边界层分离点往后边推迟，将探头处于稳定的流场中。与普通圆柱型比较，这两种流量计和流场流动贴合度较好。

        由于传统圆柱型的插入式电磁流量计由于自身形状不可避免的会对所测流场产生一定干扰，电极检测到的信号不够理想，本文计划分析设计出一种信号探测强度较强，探测信号稳定的传感器，为此我们还要对双半椭圆型的椭圆型柱体和抛物线 + 半椭圆型的椭圆水滴型柱体模型进一步分析。

 

3.2. 椭圆水滴型电磁流量计建模仿真

 

        用Fluent流体仿真软件模拟流场仿真，设定水流流速为3 m/s，对管道中流场的情况进行分析，由于探头安装在传感器两边，本文需要分析探头周边流场分布情形，所以我们选择z平面视图来观测传感器的两边流场分布。

        由前面分析知道，模型I流量计：流量计的探头安装于传感器的两边，外部结构是圆柱形，为了更加方便的将模型I流量计，椭圆型流量计，椭圆水滴型流量计流场进行直观对比，三种流量计Fluent仿真图如图7，图8和图9所示。

 

        椭圆型流量计：从图8可以发现，根据选取电极所在平面放大后的速度云图进行观察，可以看出，水流流经椭圆型流量计的时候，水流可以较好的贴合椭圆型流量计流动，“尾涡区”得到了很好的抑制，流量计前后部分的压差阻力较圆柱型流量计要减小很多，这就相对稳定了流量计周围的流场，所以将流量计模型制作成椭圆型能使其在流场中的稳定性更强。

        椭圆水滴型流量计：从图9可以发现，流量计两边有高速的流场，流速**大值为4.57 m/s，边界层在145˚时产生分离，“尾涡区”尾迹逐渐变小。所以说，流量计外部形状变化使边界层的分离产生了推迟，探头也离“尾涡区”远了，此时探头处在高速且较稳定流场中。

        将探头所处区域局部放大，观察模型I流量计和椭圆水滴型流量计的探头流场分布情况如图10，图11所示。

        椭圆水滴流线型和流场流动贴合度较高，由图10与图11对比发现，椭圆水滴型边界层厚度相比较圆柱体边界层厚度而言，明显变得较薄，并且**大的流速范围也变宽了 [9] 。

        模型I流量计：由图10发现，探头所处区域内的流场不太稳定，探头处在速度等值线是(4.90~5.16) m/s的范围，探头测量到的信号会有波动。

椭圆水滴型流量计：由图11发现，速度等值线位4.56 m/s处范围变大，将整个探头表面覆盖了，此时探头所测量到的信号稳定相对较好。

经过对比发现，相比普通圆柱型探头，椭圆水滴型流量计的探头测量的流场的信号强度变化不大，测量到的信号稳定变高，信号波动变小，信噪比得到了较大提升。

 

4. 结论

 

        文中采用Fluent流体软件仿真分析了新型椭圆型和椭圆水滴型流量计的流场分布情况，并且分别将其流场分布情况与普通圆柱型流量计进行比较，主要进行了下面几点分析：

        (1) 采用Fluent流体软件对插入式电磁流量计的外部流场进行仿真分析，通过仿真可以直观地观察到流体速度的分布状况，通过对探头安装于流量计两侧以及底面不同的流场分布情况，分析比较了探头安装不同位置的优缺点。**终确定将探头安置于有较强流场信号的位置：即流量计的两边，使探头的检测信号强度有较大提高。

        (2) 将圆柱型流量计探头伸入圆管后，流量计探头周围会产生圆柱绕流现象，促使探头检测信号引起较大波动。所以文中提出将流量计外部机构由圆柱改为椭圆型和椭圆水滴流线型，使压差阻力减小，边界层分离点尽量的后延，从而使探头处于较稳定的高速流场之中，进一步使探头检测到的信号稳定性提高。

        分别将模型I流量计与椭圆型流量计和椭圆水滴型流量计流场分布的分析仿真图进行对比，我们发现椭圆水滴型流量计比模型I和椭圆型流量计测量信号的稳定性都要好，较好的分析了椭圆水滴型流量计设计的可行性。