摘要(yao):爲了減(jiǎn)小黏性(xìng)流體對(dui)浮子流(liú)量傳感(gǎn)器
測量(liang)的影響(xiǎng),本文采(cai)用優化(hua)浮子結(jié)構的方(fang)法來設(she)計黏性(xing)不敏感(gǎn)浮子傳(chuán)感器,運(yùn)用計算(suàn)流體力(lì)學(CFD)的方(fāng)法🐇對測(cè)量黏性(xing)介⭐質的(de)浮子流(liu)量傳感(gan)器進行(háng)了🏃數值(zhi)仿真,在(zai)仿真分(fèn)析🛀的基(jī)礎上，，發(fa)現流體(tǐ)在邊界(jie)層分離(lí)産生的(de)渦旋流(liu)場可以(yi)減小黏(nian)性對浮(fú)子流量(liàng)傳感器(qì)測❄️量的(de)影響,研(yán)究分析(xi)了利用(yong)渦旋場(chǎng)減小流(liú)體黏性(xing)影響的(de)機理與(yu)減黏浮(fú)子結構(gòu)的特征(zheng)👅;同時設(she)計制造(zao)了利用(yong)渦旋效(xiào)應實💰現(xian)減黏的(de)浮子🔱流(liu)量傳感(gǎn)器,利用(yong)黏✊性物(wu)理實驗(yàn)對減🐇黏(nián)浮子的(de)減黏效(xiào)果進💃🏻行(háng)了驗證(zheng),具有減(jiǎn)黏效果(guo)的浮子(zi)流量傳(chuán)感器在(zài)1-495mPa.s的黏性(xing)範圍内(nei),介🐪質黏(nian)性所引(yǐn)起的測(ce)量誤差(chà)可控制(zhì)在2.9%以内(nei).
1概述
利(lì)用浮子(zǐ)流量傳(chuán)感器對(dui)流體的(de)測量過(guo)程中,經(jing)常會✂️涉(shè)及到👨❤️👨對(dui)黏性流(liu)體的測(cè)量,當實(shi)際測量(liàng)工作介(jie)質的黏(nian)度與标(biao)定介質(zhi)的黏度(dù)不同時(shí),黏性就(jiù)會影響(xiǎng)流量測(cè)量的正(zheng)确率。針(zhen)對這個(ge)問題,國(guó)内外許(xǔ)多學者(zhe)作了大(da)量的研(yan)究,這些(xiē)研究從(cóng)方法上(shang)講可分(fen)😘爲兩大(da)類,一類(lei)研究着(zhe)眼于對(dui)現有的(de)🔞浮子流(liú)量傳㊙️感(gǎn)器通過(guo)實驗找(zhao)出其黏(nian)性修正(zheng)曲線;另(lìng)一類着(zhe)重于盡(jìn)可能消(xiao)除黏性(xing)影響♋的(de)浮子傳(chuan)❌感器結(jie)構設計(ji)。
由于利(li)用黏性(xìng)修正曲(qǔ)線消除(chu)黏性影(yǐng)響隻能(néng)在被🔴測(cè)黏度爲(wèi)常數或(huo)掌握其(qi)黏度變(bian)化規律(lü)的情況(kuang)下,才能(néng)⭐對黏性(xing)影響流(liu)量示值(zhí)進行修(xiu)正。而在(zai)對浮子(zi)傳感器(qi)結構優(you)化方面(mian)🐉:FisherK首先提(ti)出在标(biao)定中忽(hu)略黏性(xìng)影響的(de)設計[5],此(cǐ)後🔞Miller.R.w給出(chū)一系😘列(lie)特殊結(jié)構的浮(fu)子形狀(zhuang)，,指出這(zhe)些浮子(zǐ)具有㊙️黏(nian)度不敏(min)感上限(xiàn)值,在此(ci)⛱️黏度限(xian)制以下(xià)時,不需(xū)要進行(háng)黏度校(xiào)正。但在(zai)他們的(de)工作中(zhōng)并沒有(yǒu)指出浮(fu)子流量(liàng)傳感器(qi)黏性不(bú)敏感🙇🏻的(de)工作原(yuán)理和适(shi)👣應的黏(nian)度範圍(wei)。
本文試(shi)圖找到(dào)能夠減(jiǎn)小流體(tǐ)黏性對(duì)測量影(yǐng)響的🔴浮(fú)子流量(liang)傳感器(qì)結構,并(bìng)分析總(zǒng)結減黏(nian)的機理(li),爲優化(hua)💔浮子結(jié)構提供(gòng)理論基(ji)礎。由于(yu)在工業(ye)中使用(yong)測量黏(nian)性溶液(yè)的浮子(zi)🍓流量傳(chuan)感器多(duo)是耐高(gao)溫耐高(gāo)壓的金(jin)❤️屬浮子(zi)流量傳(chuán)感器,所(suo)以用流(liu)✌️動顯示(shi)的📧實驗(yan)方法來(lái)研究浮(fu)子流量(liàng)傳感器(qi)機理既(ji)不易觀(guan)🏃察到浮(fu)子内部(bu)流場的(de)變化,也(yě)增加了(le)研發的(de)費用🙇♀️。鑒(jian)于此,本(běn)文采用(yong)🔴CFX軟件對(dui)測量黏(nián)性介質(zhi)的浮子(zǐ)流🥵量傳(chuán)感器内(nei)部流場(chang)進行了(le)數值模(mó)拟,通過(guò)對仿真(zhēn)結果的(de)分🏃析,提(ti)出減小(xiǎo)黏性對(duì)浮子流(liu)量傳感(gan)器影響(xiang)方法,并(bing)最終研(yán)制出受(shou)黏度影(yǐng)響小的(de)減黏浮(fu)子。
2浮子(zi)流量傳(chuán)感器的(de)基本結(jie)構
浮子(zǐ)流量傳(chuán)感器基(jī)本結構(gou)如圖1所(suǒ)示,在垂(chui)直的錐(zhui)形📐管中(zhōng)放置一(yī)阻力件(jian)，也就是(shì)浮子。當(dang)流體自(zi)下而.上(shang)流過錐(zhui)管時，由(yóu)于浮子(zi)的阻塞(sai)作用使(shi)其上下(xia)表面産(chan).生了壓(ya)差,從而(er)對浮子(zi)形成一(yi)個向上(shàng)的作用(yòng)力,如果(guo)所🤩測流(liu)體是黏(nian)性流體(ti),還應該(gāi)考慮浮(fú)子表面(mian)的黏性(xing)摩擦力(li)。當升力(li)大于浮(fu)子本🙇♀️身(shen)的重力(lì)時,浮子(zi)向上運(yùn)動，此時(shí)浮子與(yǔ)錐形管(guan)之間的(de)環通面(miàn)積增大(dà),流速減(jiǎn).低,浮子(zǐ)對流體(ti)阻力☀️作(zuo)用減小(xiǎo)。當浮子(zi)💔受到的(de)力達到(dao)平衡時(shí),浮子就(jiu)會停留(liú)😍在某一(yi)高度
3計(jì)算流體(tǐ)力學方(fang)法的應(yīng)用
本文(wen)計算中(zhōng)使用的(de)控制方(fāng)程爲RANS方(fāng)程,選用(yong)工程中(zhong)常用的(de)Standardk-ε模㊙️型作(zuò)爲流場(chang)計算的(de)湍流模(mo)型。爲了(le)簡便,以(yi)不可壓(yā)縮湍流(liú)流動爲(wei)例寫出(chū)仿真使(shǐ)用的k-ε模(mo)型通用(yong)形式的(de)流體控(kong)制🛀🏻方程(cheng)。在直角(jiǎo)坐标系(xi)中,流動(dong)💘可由如(rú)下的雷(lei)諾時均(jun)N-S方程.和(he)連續性(xìng)方程來(lai)描述。
連(lián)續方程(chéng):
其中Ui爲(wèi)平均速(sù)度，P爲平(ping)均壓力(li),ʋ和ʋt,分别(bie)爲分子(zǐ)黏性💰系(xì)數和渦(wō)⛹🏻♀️黏性系(xì)數,對高(gao)Re數湍流(liu),渦黏性(xìng)系數由(you)下式決(jue)定:
别爲(wèi)湍動能(neng)産生項(xiang)和平均(jun1)應變率(lǜ)張量。
同(tóng)時爲了(le)能夠動(dong)态仿真(zhen)浮子流(liu)量傳感(gǎn)器的測(cè)量原理(lǐ),使浮子(zǐ)可以根(gēn)據受力(lì)變化自(zì)動調整(zheng)其在錐(zhui)👌管中的(de)位置,本(ben)🤞文根據(jù)牛頓第(dì)二定律(lǜ),得到浮(fú)子上🤞下(xià)移動的(de)控制方(fang)程;
其中(zhōng)F.爲浮子(zi)表面壓(yā)力差,FV爲(wei)浮子所(suo)受到的(de)黏性力(li),G爲浮🚶♀️子(zǐ)🤩受🔱到的(de)重力，m是(shi)浮子自(zì)身的質(zhi)量,△t爲計(ji)算叠代(dai)前後的(de)時間差(chà),△u計算叠(dié)代前後(hòu)的速度(du)差,計算(suàn)中把相(xiang)對速度(du)轉化爲(wei)相對位(wei)移❓來控(kong)制.浮子(zi)的升降(jiang)🆚，直到被(bèi)計算的(de)浮子🙇🏻所(suǒ)受到的(de)合力到(dào)達🏃♂️平衡(heng)。
4流場仿(páng)真與機(jī)理分析(xī)
仿真過(guò)程中建(jian)立了浮(fu)子流量(liang)傳感器(qì)結構模(mo)型,如圖(tu)2所💔示。爲(wèi)了♻️提高(gāo)浮子流(liú)量傳感(gan)器入口(kǒu)仿真效(xiào)果,仿真(zhen)按照✉️尼(ní)古拉茲(zī)👅圓管速(sù)度剖面(mian)公式給(gěi)出如圖(tú)3所示浮(fú)子流量(liàng)傳感器(qì)❤️入口速(su)度剖面(mian),圖中色(se)标由✌️冷(leng)色調變(biàn)化到暖(nuan)色調表(biao)示流☂️體(tǐ)速度由(yóu)小到大(da),從🌈僞色(sè)圖中可(kě)以看到(dào)從邊壁(bì)到中心(xin)的速度(du)是由小(xiao)到大非(fei)線性分(fèn)🌐布的。爲(wèi)了清楚(chu)說明浮(fú)子流量(liàng)傳感♍器(qì)的仿真(zhen)過程圖(tú)4給出測(ce)量黏性(xìng)流體浮(fu)子流量(liang)傳☁️感💋器(qi)仿真計(jì)算的.流(liu)♋程簡圖(tú)。
通過仿(pang)真,分别(bié)得到小(xiao)流量和(hé)大流量(liang)入口流(liú)量條件(jian)💔下的傳(chuán)🤞感器速(su)度剖面(mian)僞色圖(tu),如圖5、圖(tu)6所示。圖(tu)中可以(yi)清楚看(kan)到傳感(gǎn)器中流(liú)體在浮(fú)子周圍(wéi)以及出(chū)入口的(de)速度分(fen)布。随着(zhe)流量的(de)增加,浮(fu)子的位(wei)置上升(sheng),浮子與(yu)錐管之(zhi)間🔴環隙(xi)變大,流(liú)體在錐(zhuī)管中的(de)速🐆度分(fen)布也随(suí)之發生(sheng)明顯💜的(de)變化,據(ju)此可以(yi)定性判(pan)斷出計(ji)算所得(de)結果是(shì)合理的(de)。
爲了研(yan)究流體(ti)黏性摩(mó)擦力對(dui)浮子表(biao)面受力(lì)的影響(xiang),仿✂️真計(ji)算了浮(fu)子表面(miàn)受到的(de)沿流向(xiàng)黏性摩(mó)擦力等(děng)值線圖(tú),如圖7所(suo)示,圖💔中(zhong)可以清(qīng)楚的看(kan)到在浮(fú)子最大(dà)截面之(zhī)😘前的浮(fu)子表面(miàn)有淺綠(lǜ)🏃♀️色的黏(nián)性摩🔱擦(ca)力色帶(dài)區,它說(shuō)明浮子(zǐ)的前端(duān)受到了(le)較大沿(yan)流🐉向的(de)黏性力(lì)影響,而(er)在最大(da)截面後(hou)部⛱️的浮(fu)子表面(miàn)上出現(xian)了深💘藍(lan)🙇🏻色的黏(nian)性力色(se)📐帶,這說(shuo)明此處(chu)浮子表(biǎo)面所受(shòu)♌到的黏(nian)性摩擦(ca)力爲負(fù)值,即黏(nian)性力作(zuò)用的方(fāng)向反向(xiang)于流體(tǐ)流向,這(zhè)種現象(xiàng)在一⛹🏻♀️定(dìng)程度上(shang)減小了(le)黏性流(liu)體黏性(xing)力對浮(fú)子傳感(gan)器的影(ying)響。通🐕過(guò)觀察流(liú)體在通(tong)🚶♀️過最大(da)截面時(shi)的速度(dù)矢量圖(tu),如🏃♂️圖8所(suo)示,可以(yǐ)發現渦(wō)旋作用(yong)是造成(chéng)浮子在(zai)最大截(jié)㊙️面後部(bu)出現負(fu)黏區的(de)主要原(yuán)因👣。
根據(jù)邊界層(ceng)理論,由(yóu)于黏性(xìng)而使物(wù)面邊界(jiè)産生邊(biān)界✉️層,當(dang)黏性流(liu)體流過(guo)浮子最(zuì)大截面(miàn)而後突(tū)然流動(dòng)‘分離”。這(zhe)樣産生(sheng)的分離(lí)📞層迅速(su)形成一(yi)個或多(duo)個渦,這(zhe)樣的渦(wō)可以滞(zhì)留在物(wu)體後部(bu)。也就是(shì)說,流體(ti)流經浮(fu)子與管(guan)壁之🌍間(jiān)的環隙(xi)時,環隙(xi)速🚩度增(zēng)大,流🌈體(tǐ)在截面(miàn)内均勻(yun)分布,當(dāng)截面沿(yan)流動🌈方(fang)向突然(ran)增大的(de)時候，由(yóu)于分離(lí)形成了(le)滯留在(zài)浮子最(zui)大截面(miàn)🌍後部的(de)渦流區(qū)，從而形(xíng)成逆流(liú),使浮子(zi)整體表(biǎo)面所受(shòu)到黏性(xìng)摩擦力(li)在流動(dòng)方向上(shang)減小,甚(shèn)至與浮(fu)子✉️上升(sheng)方向相(xiang)反,這樣(yàng)就❤️部分(fèn)抵消了(le)黏性帶(dài)來的影(yǐng)響。根據(jù)以上分(fèn)析,本文(wén)提出利(lì)用流體(ti)邊🆚界層(céng)提前分(fèn)離産生(sheng)的渦旋(xuán)區實現(xiàn)浮子減(jiǎn)黏的方(fāng)案,其中(zhōng)包括:最(zui)大截面(mian)之前的(de)浮子表(biǎo)面積越(yue)小,沿流(liu)向的正(zhèng)🥵黏性力(lì)作用區(qu)域越小(xiǎo);迎流面(miàn)的邊緣(yuan)🧑🏾🤝🧑🏼越鋒利(li),分離點(dian)越靠前(qian),分離造(zào)成的渦(wō)旋效果(guǒ)越顯著(zhe);分離所(suo)産生渦(wo)旋場中(zhōng)的浮子(zi)表面積(jī)越大,浮(fú)子受到(dào)負黏性(xìng)摩擦力(lì)越大✏️。
根(gēn)據仿真(zhēn)研究得(de)到的減(jian)黏規律(lü),本文在(zài)原有基(jī)本浮子(zǐ)(DF_C型✊)形🔞狀(zhuang)的基礎(chǔ)上研制(zhì)了兩種(zhong)具有減(jian)黏特性(xing)的浮☀️子(zǐ):ACF型和DFL型(xing)浮子,如(ru)圖9所示(shi)。
圖10與圖(tu)11給出兩(liǎng)種減黏(nián)浮子在(zai)仿真流(liú)場中的(de)速度矢(shǐ)量圖,圖(tú)中可以(yi)清楚看(kàn)到減黏(nián)浮子所(suǒ)産生的(de).強烈的(de)🔞渦旋場(chang)。
在兩種(zhǒng)新浮子(zi)結構中(zhong),ACF具有特(te)别鋒利(lì)的邊緣(yuán)和靠前(qián)的🌍分離(lí)點,流體(tǐ)流過最(zui)大截面(mian)後,在浮(fú)子後部(bu)出💔現劇(ju)烈的旋(xuán)渦,故反(fan)🌈向于🐆流(liu)向的黏(nian)性應力(lì)很顯著(zhe);而DF_L雖然(rán)較ACF分離(lí)點靠後(hou),渦旋沒(mei)有ACF型的(de)強烈,但(dàn)其處在(zai)渦流區(qū)的浮子(zǐ)表面積(jī)要大✍️于(yu)ACF,(DF_L爲圓柱(zhù),而ACF爲圓(yuan)台☂️),所以(yǐ)其在渦(wō)流區所(suǒ)受的反(fǎn)向黏性(xing)摩擦力(lì)也較大(dà)💜
5實驗驗(yàn)證
爲了(le)檢驗減(jian)黏浮子(zǐ)的減黏(nian)效果，,本(běn)實驗測(ce)試了三(sān)種形⁉️狀(zhuang)浮😄子所(suǒ)構成浮(fú)子流量(liang)傳感器(qì)的減黏(nian)結果👌,浮(fú)子形狀(zhuàng)如圖9所(suǒ)示。實驗(yàn)首先通(tong)過水溶(róng)液标定(dìng)各個浮(fú)子流量(liàng)傳感器(qì)的🏃🏻♂️浮子(zǐ)流向高(gāo)度與流(liu)量的關(guān)系,然後(hou)使用已(yi)标定好(hǎo)的浮子(zǐ)🔞流量傳(chuán)感器測(cè)量黏🌂度(du)等于的(de)黏性溶(róng)液,由于(yu)黏性的(de)影響,浮(fu)子流量(liàng)傳感器(qì)所測量(liang)黏性溶(róng)液的流(liú)量與真(zhen)實流量(liàng)有🔴一定(ding)誤差,誤(wù)差💰越大(da)說明浮(fú)子流量(liang)傳感器(qì)受到黏(nian)度影響(xiǎng)越大,反(fan)之，,說明(míng)浮子流(liú)量傳感(gǎn)器有減(jian)㊙️小黏性(xing)影響的(de)特性。
實(shí)驗中不(bú)同浮子(zi)所構成(chéng)的浮子(zi)流量傳(chuan)感器分(fen)别對💃5種(zhong)高黏㊙️度(dù)甲基纖(xian)維素水(shuǐ)溶液進(jìn)行了測(cè)量,由于(yu)甲基纖(xiān)維素的(de)🔴水溶液(yè)密✌️度與(yu)水非常(cháng)接近(常(cháng)溫下爲(wèi)1001kg/m³),故可認(rèn)爲浮子(zi)流量傳(chuan)感器測(ce)量甲🔴基(ji)纖維素(su)水❄️溶液(ye)體積流(liú)量無需(xū)🤟密度修(xiū)正。其中(zhōng)溶液黏(nian)度分别(bié)爲137mPa·s,495mPa·s,1215mPa·s,1692，mPa。
和1962mPa's。
經(jīng)過物理(li)實驗得(de)到不同(tong)類型浮(fú)子流量(liang)傳感器(qì)測量黏(nián)性溶液(yè)🍉流量的(de)測量誤(wu)差,如表(biao)1。
從表中(zhōng)可知,ACF型(xíng)浮子與(yǔ)DF_L型浮子(zi)在測量(liang)最大黏(nian)性溶液(ye)中測量(liang)誤差分(fèn)别爲17.22%和(he)13.87%;平均測(ce)量誤差(chà)分别爲(wei)12.16%和🏃🏻7.75%;遠優(you)于普✉️通(tōng)DF_C型浮子(zǐ)的最大(dà)測量誤(wu)差20.46%和平(píng)均誤差(cha)14.67%;如果測(ce)🤞量黏度(du)在495mPa·s範圍(wei)的黏性(xìng)🐇溶液，,兩(liǎng)種浮子(zi)的測量(liang)誤差可(ke)以控制(zhi)在5%以下(xia),對于DF_L型(xing)浮子，其(qi)測量誤(wu)差隻有(yǒu)2.82%。以上實(shi)驗數據(jù)驗證了(le)仿真計(jì)算所得(de)結論的(de)💛正确性(xing),即通🌏過(guo)增加渦(wō)旋強度(dù)和增加(jia)渦旋區(qū)浮子面(mian)積對浮(fú)🔞子流量(liàng)📞傳感器(qì)的減黏(nian)作用。
6小(xiao)結
通過(guo)研究可(ke)以得到(dao)以下結(jié)論:
(1)利用(yòng)CFD方法可(ke)以有效(xiào)的對測(cè)量黏性(xìng)流體的(de)浮子流(liu)量傳感(gǎn)器♈進行(háng)模拟;在(zài)對流量(liang)傳感器(qì)的機理(lǐ)進行定(ding)性⛱️研究(jiū)中,發現(xian)了流體(tǐ)邊界層(céng)在最大(da)截面處(chu)分離所(suǒ)産生的(de)渦旋具(jù)有🧑🏽🤝🧑🏻減黏(nián)效果。
(2)讨(tǎo)論了利(lì)用渦旋(xuán)場減小(xiao)流體黏(nián)性影響(xiang)的機理(li)與減黏(nian)浮子結(jie)🎯構特征(zhēng),并制造(zao)了兩種(zhong)反映浮(fú)子減黏(nián)特征的(de)浮🙇🏻子流(liú)量傳感(gan)器，通過(guò)物理實(shi)驗驗證(zheng)了減黏(nián)浮子具(jù)有減黏(nian)的特性(xìng),減黏浮(fú)子傳感(gǎn)器在1-495mPa.s的(de)黏性範(fàn)圍内測(cè)量時，介(jie)質黏性(xing)所引起(qi)的測量(liàng)誤差可(kě)控制在(zai)2.9%以内
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