非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)一體式電磁流量計(jì)影響徑向仿真結(jié)果分析

摘要：一體式電磁流量計(jì)開(kāi)始應(yīng)用于多相流流量測(cè)量，運(yùn)用有限元軟件 Ansys 對(duì)一體式電磁流量計(jì)中存在非導(dǎo)電物體建立徑向仿真模型，在徑向截面上研究了流量計(jì)中含有非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)流量計(jì)的響應(yīng)特性，并以此分析了含水率不同對(duì)流量計(jì)信號(hào)的影響，為一體式電磁流量計(jì)在多相流測(cè)量中提供一定的依據(jù)。
一體式電磁流量計(jì)具有對(duì)流速分布不太敏感及管道中無(wú)阻礙流動(dòng)的部件等，將其應(yīng)用于多相流中時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但一體式電磁流量計(jì)的基本理論是建立在單相流上的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，外加磁場(chǎng)中通過(guò)導(dǎo)電流體時(shí)，流體切割磁力線可產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，依據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可以測(cè)量流體的速度和流量。當(dāng)流體中出現(xiàn)非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)(如油氣泡等)，流量計(jì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)發(fā)生變化，影響流量測(cè)量結(jié)果，因此分析非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)流量計(jì)的響應(yīng)特性是很有必要的。
王月明等運(yùn)用 Ansys 對(duì)流體中存在相互重疊的油氣泡對(duì)流量計(jì)敏感場(chǎng)影響進(jìn)行了分析研究，并在二維軸向模型下對(duì)連續(xù)油起泡對(duì)流量計(jì)的敏感場(chǎng)影響進(jìn)行分析研究;Kang D H 等對(duì)流體中有段塞流的數(shù)值信號(hào)的預(yù)測(cè)和校準(zhǔn)進(jìn)行了研究。Zhang X Z 在簡(jiǎn)化的二維模型下求解了氣泡處于流量計(jì)橫截面不同位置時(shí)虛電流的分布情況。筆者運(yùn)用有限元軟件 Ansys 對(duì)一體式電磁流量計(jì)測(cè)量中出現(xiàn)油氣泡建立徑向截面仿真模型，在此模型下研究油氣泡對(duì)一體式電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)的影響，同時(shí)對(duì)流體中含水率不同時(shí)流量計(jì)的響應(yīng)特性進(jìn)行研究，研究結(jié)果可為多相流的電磁感應(yīng)測(cè)量提供一定的理論依據(jù)。
1 敏感度定義 ①
一體式電磁流量計(jì)的基本方程為:

式中 A ———對(duì)所有空間積分;
B ———磁場(chǎng)強(qiáng)度;珒
———虛電流密度，是一個(gè)完全由 A 上的電邊界條件所決定的量;
U———兩電*的電勢(shì)差;
 V ———流體速度。
虛電流決定著一體式電磁流量計(jì)測(cè)量區(qū)域權(quán)值函數(shù)的分布情況，也就影響著一體式電磁流量計(jì)內(nèi)部敏感場(chǎng)分布情況。
為了定量地考查流量計(jì)內(nèi)部非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)一體式電磁流量計(jì)敏感場(chǎng)的分布影響，定義 c 為敏感場(chǎng)靈敏度:

其中，jx表示有非導(dǎo)電物質(zhì)虛電流在 x 方向上的分量，x方向即電*方向;j 0x 為沒(méi)有非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)虛電流在 x 方向上的分量。
2 非導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)流量計(jì)影響徑向仿真
筆者探討在一體式電磁流量計(jì)徑向截面位置開(kāi)始出現(xiàn)油氣泡時(shí)一體式電磁流量計(jì)感應(yīng)信號(hào)的響應(yīng)情況。在仿真模型中，設(shè)定這樣一個(gè)過(guò)程，在連續(xù)時(shí)刻 t 1 、t 2 、t 3 、t 4 ，流量計(jì)電*位置的徑向截面上分別開(kāi)始出現(xiàn)一個(gè)油氣泡(非導(dǎo)電物質(zhì))，在 t 5 時(shí)刻出現(xiàn)的4 個(gè)油氣泡的半徑變大。在這一過(guò)程中，研究非導(dǎo)電物質(zhì)(油氣泡)的增加與變化對(duì)流量計(jì)輸出信號(hào)的影響情況;這一過(guò)程中，流體中的含水率也在變化，同時(shí)研究含水率對(duì)流量計(jì)的影響情況。圖 1 所示為流量計(jì)截面中油氣泡(非導(dǎo)電物質(zhì))增加與變化時(shí)的 Ansys 仿真圖，圖 1a ～ e 中分別顯示的是 t 1 ～ t 5 時(shí)刻虛電流 x 方向分量的 An-sys 圖。

圖1 油氣泡存在流量計(jì)中 x 方向虛電流分布情況
對(duì) Ansys 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò) Matlab 進(jìn)行結(jié)果分析。圖 2a ～ e 分別為 t 1 ～ t 5 時(shí)刻流體中存在油氣泡流量計(jì)測(cè)量區(qū)域虛電流在 x 方向上的分布圖及其等勢(shì)圖。從圖中可以看出:當(dāng)流體中油氣泡增加時(shí)，流量計(jì)測(cè)量區(qū)域的敏感場(chǎng)發(fā)生變化，且流體中油氣泡越多，對(duì)流量計(jì)測(cè)量區(qū)域敏感場(chǎng)影響越大。為了更客觀地反應(yīng)這種現(xiàn)象，下面運(yùn)用敏感場(chǎng)靈敏度 c 進(jìn)一步進(jìn)行研究。


3 仿真結(jié)果分析
為了清晰地獲得以上 5 種情況下油氣泡對(duì)流量計(jì)虛電流分布的影響，運(yùn)用敏感場(chǎng)靈敏度來(lái)刻畫(huà)非導(dǎo)電物質(zhì)在不同情況下對(duì)流量計(jì)敏感場(chǎng)靈敏度的響應(yīng)特性。圖 3 所示為以上 5 種多個(gè)非導(dǎo)電物質(zhì)存在情況對(duì)流量計(jì)敏感場(chǎng)靈敏度響應(yīng)特性分析。從圖3中可以看出，隨著非導(dǎo)電物質(zhì)的個(gè)數(shù)在流體中的增加，流量計(jì)敏感場(chǎng)靈敏度也不斷增加，說(shuō)明對(duì)一體式電磁流量計(jì)的輸出信號(hào)的影響也越大。圖 3 中 t 3 時(shí)刻敏感場(chǎng)靈敏度 c 較 t 2時(shí)刻增加較小，這是 t 3 時(shí)刻增加的油氣泡較小，而在 t 1 ～ t 5時(shí)刻增加的油氣泡較大時(shí)，流量計(jì)敏感場(chǎng)靈敏度 c變化較大，說(shuō)明流體中出現(xiàn)較大的油氣泡對(duì)流量計(jì)測(cè)量影響較大。

圖 4 所示為流體中含水率與流量計(jì)感應(yīng)電流之間關(guān)系。從圖 4 中可以看出，隨著流量計(jì)流體中含水率的增加，流體中虛電流特性(J b /J w )也逐漸增加。虛電流特性指的是流體中含有非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)虛電流 J b 與流體為全水狀態(tài)下虛電流 J w 的比值。從仿真圖上可以看出:流體中含水率與流量計(jì)的輸出結(jié)果不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，含水率越大，流量計(jì)截面就越接近全水狀態(tài)下的測(cè)量值。
4 結(jié)束語(yǔ)
筆者運(yùn)用有限元軟件對(duì)一體式電磁流量計(jì)含有非導(dǎo)電物質(zhì)(油氣泡)時(shí)對(duì)流量計(jì)敏感場(chǎng)進(jìn)行徑向建模仿真分析，在建立的仿真模型上分析了流體中出現(xiàn)一系列非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)對(duì)流量計(jì)傳感器截面上敏感場(chǎng)的影響情況，同時(shí)也得到了含水率與流量計(jì)感應(yīng)信號(hào)之間的關(guān)系。仿真結(jié)果可為一體式電磁流量計(jì)在多相流的測(cè)量提供一定的依據(jù)。