三维模型下油气泡对流量计输出影响的研究

　　电磁流量计是一种利用电磁感应原理进行测量的仪表。电磁流量计应用领域广泛，是一种重要的流量计测量仪表。电磁流量计应用于多相流中时具有独特的优点，如对流速分布不太敏感，管道中无阻碍流动的部件等[1]，但这种仪表的基本理论是建立在单相流上的。当电磁流量计在作业时流体中出现油气泡等非导电体时，会使感应电动势的分布发生变化，对电磁流量计流量的计量造成一定误差，因此分析非导电物质对流量计的响应特性是有必要的。张小章在简化的二维模型下分别求解了单个气泡处于流量计管轴线和横截面不同位置时虚电流的分布情况[2，3]，并对流体中含有一个气泡时电磁流量计虚电流的三维特性进行了研究[4]; Cha J E 等人运用两个流量计来计算空隙率的大小[5]; Kang D H 等人对流体中有段　　塞流的数值信号的预测和校准进行了研究[6]。笔者运用有限元软件 ANSYS 建立了电磁流量计流体的三维立体仿真模型，分析了电磁流量计流体中存在一个不同大小的油气泡( 非导电物体) 不同径向位置以及多个不同大小的油气泡( 非导电物体) 不同径向位置对流量计敏感场的响应特性的影响，在此模型下对大油气泡对电磁流量计敏感场的影响进行了研究。

　　1 三维仿真模型及敏感度定义

　　为了清晰地描述在三维立体情况下电磁流量计流体中存在非导电物质( 例如油气泡) 时，电磁流量计的响应特性情况，构建三维仿真模型以及引入敏感场灵敏度的定义。

　　1. 1 ANSYS 立体仿真模型

　　在三维立体情况下油气泡沿电磁流量计内部轴线上升时会对流量计内部敏感场引起一定变化，也可以称为流量计的响应特性。首先介绍三维立体 ANSYS 仿真模型。①为了全面考查导电流体中存在油气泡时电磁流量计响应特性情况，仿真实验中，仿真模型中设定流体的直径为 20 mm，电磁流量计流体模型长度设定为 100 mm，ANSYS 仿真模型中只对电磁流量计中的流体进行建模，两个电极中心方向称为 x 轴，流体中心轴称为 y 轴，垂直 x 和 y 轴并经过它们交点的为 z 轴，三轴的交点为原点“o”。图1a 给出了 ANSYS 仿真的示意图。不同直径大小的油气泡通过电磁流量计或多个油气泡通过流量计流体中时，电极两端给定一定的电流值，对电磁流量计两端的电极采集的电压差进行考查，以获得电磁流量计导电流体中存在油气泡时的响应特性。图 1b 为 ANSYS 仿真的流量计三维立体模型网格化后的图。

　　1. 2 敏感场灵敏度定义

　　为了定量地考查电磁流量计内部气泡( 油泡等非导电物质) 对电磁流量计敏感场的分布影响，定义 vc 为敏感场灵敏度，其定义如式( 1) 所示: