[发明专利]一种电磁流量传感器多场耦合感应电动势的数值仿真方法

权利要求书

1.一种电磁流量传感器多场耦合感应电动势的数值仿真方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

(1)确定三维空间维度；

(2)根据电磁流量传感器的作用机理，添加物理场接口；

(3)构建几何模型；

(4)定义传感器各部分的材料属性；

(5)修改各物理场设置，并定义边界条件；

(6)进行网格划分；

(7)添加研究类型并进行计算求解；

(8)最后对计算结果进行后处理，得到耦合感应电动势；

所述步骤(2)具体是指：电磁流量传感器根据法拉第电磁感应定律工作，其基本原理是传感器上下安放励磁线圈，在传感器内产生磁场，当运动流体流过传感器的测量管道时，会切割磁力线产生电势，两个电极处拾取的电势差即为传感器的感应电动势；因此需要添加四个物理场接口，即四个物理模型：湍流模型、磁场模型、电路模型和电流模型，其中湍流模型用于模拟传感器内的流场分布特性，磁场模型用于模拟传感器内的磁场分布特性，电路模型用于对磁场模型中的线圈施加激励，电流模型用于模拟流场和磁场的耦合特性，产生感应电动势；

所述步骤(3)具体是指：根据电磁流量传感器的实际结构尺寸构建有限元仿真几何模型，该有限元仿真几何模型主要包括：测量管、电极、线圈、磁路各组成部分和空气域，并在测量管的入口和出口处设置端盖面，赋予流体区域；

所述步骤(4)具体是指：定义传感器各部分的材料参数，包括：空气、水、铜、测量管、316L不锈钢、硅钢，为提高计算的收敛性，空气和测量管的电导率设置为1S/m；

所述步骤(5)具体是指：

5a)湍流模型

手动选择求解域为流体区域，即测量管的入口、出口和测量管内壁所围空间，入口边界条件设置为速度，入口速度设置为法向流入速度，并赋予速度大小，湍流条件设置为指定湍流长度和强度，湍流长度L_T＝0.07×d，根据如下公式确定湍流强度：

式中，ρ为流体密度，单位为kg/m³；v为入口平均流速，单位为m/s；d为水力直径，单位为m；μ为动力粘度，单位为Pa·s；

出口边界条件设置为压力，压力大小为0Pa，且抑制回流；

传感器为1/2的轴对称几何模型，在对称面上设置对称边界条件；

5b)磁场模型

指定线圈设置为线圈边界条件，并构建激励面添加激励，线圈设置为均匀多匝，线圈类型为数值线圈，线圈激励方式为电路激励，最后设置线圈匝数和圆导线直径；传感器为1/2的轴对称几何模型，在对称面上设置完美磁导体边界条件；

5c)电路模型

添加电流源，根据求解参数设置源类型，添加外接Uvs.I条件耦合线圈，电流I设置为线圈电流，然后添加电阻，并设置电阻阻值大小；

5d)电流模型

手动选择求解域为流体区域，并在指定点处设置接地边界条件，然后添加外电流密度，外电流密度大小为：

式中，sigma为液体电导率大小，u(x,y,z)，v(x,y,z)，w(x,y,z)为流场仿真求解的计算结果，在定义中，通过插值函数导入；mf.Bx，mf.By，mf.Bz分别表示x轴，y轴和z轴方向的磁感应强度大小，A/m²表示外电流密度的单位为安培每平方米，表示方向；

所述步骤(6)具体是指：首先指定流体区域划分网格，设置较高质量的网格，并设置边界层网格，提高流体计算的精确度，其余部分设置为较低质量的网格，减少计算时间；

所述步骤(7)具体是指：

7a)流场求解

添加研究类型为稳态，选择求解的物理场为湍流，然后获取初始值，计算求解后即得到传感器内的流场分布特性；

7b)磁场求解

添加研究类型为稳态，并添加步骤：线圈几何分析，选择求解的物理场为磁场和电路；计算求解后即得到传感器内的磁场分布特性；若需要得到磁场随时间的变化关系，则添加的研究类型为瞬态，并设置时间步；

7c)电场求解

添加研究类型为稳态，选择求解的物理场为电流，计算求解后即得到传感器内的电场分布特性；

所述步骤(8)具体是指：在结果选项中设置截面，数据来自于不同物理场的研究解，以显示传感器内不同位置处的物理量分布，并选择电极表面设置为表面，以计算电极处的电势大小；在速度选项中，添加表面条件，数据集来自于所设置的截面，显示传感器内不同位置处的流速分布；在磁通密度模选项中，添加表面条件，数据集来自于所设置的截面，显示传感器内不同位置处的磁感应强度分布；在电势选项中，添加表面条件，数据集来自于所设置的截面，显示传感器内不同位置处的电势分布；在派生值选项中，添加计算表面平均值，计算得到两个电极处的电势，两个电极处的电势差即为传感器的耦合感应电动势大小；若需要得到感应电动势随时间的变化关系，将其导出为.csv格式的文件，并在文件中进行操作，计算传感器的耦合感应电动势大小；然后在表格选项中，导入.csv格式的几何文件，并添加一维绘图组，设置表图，显示表格中的数据。