摘要:爲了減(jian)小黏性流體(tǐ)對浮子流量(liang)傳感器 測量(liang)的影響,本文(wén)采用優化浮(fu)子結構的方(fāng)法來設計黏(nian)性不敏感浮(fu)子傳感器,運(yùn)用計算流體(tǐ)力學(CFD)的方法(fǎ)對測量黏性(xing)介質的浮子(zi)流量傳感器(qì)進行了數值(zhi)仿真,在仿真(zhēn)分析🥰的基礎(chu)上，，發現流體(tǐ)在邊界層分(fèn)離産生的渦(wō)旋流場可以(yi)減小黏性對(dui)浮子流量傳(chuan)感器測量的(de)影響,研究分(fèn)析了利用渦(wo)旋場減小流(liú)體黏性影響(xiǎng)的機理與減(jiǎn)黏浮子結構(gou)的特征;同時(shi)設計🔆制造了(le)📧利用渦旋效(xiao)應實現減黏(nián)的浮子♍流量(liang)傳感器,利用(yong)黏性物理實(shi)驗對減黏浮(fú)子的減黏效(xiao)果進行了驗(yàn)證,具有減黏(nian)效果的浮子(zǐ)流量傳感器(qì)在1-495mPa.s的黏性範(fàn)圍内,介質黏(nián)性所引起的(de)測量誤差可(ke)控制在2.9%以内(nei).
1概述
　　利用浮(fu)子流量傳感(gan)器對流體的(de)測量過程中(zhōng),經常✌️會涉及(ji)到對黏性流(liu)體的測量,當(dang)實際測量工(gōng)作介質的黏(nián)度與标定介(jie)質的黏度不(bú)同時,黏性就(jiu)會影響流量(liàng)測量的正确(què)率。針對這個(gè)問題,國内外(wai)許多學者作(zuo)了大量的研(yan)究,這些研究(jiu)從方法上講(jiǎng)可分☁️爲兩大(dà)類,一類研究(jiu)着眼于對現(xian)有的浮子流(liu)量傳感器通(tōng)過實驗找出(chu)其黏性修正(zhèng)曲線;另一類(lei)着重于盡可(ke)能消除黏性(xìng)影響💁的浮子(zǐ)傳感器結構(gòu)設計。
　　由于利(lì)用黏性修正(zhèng)曲線消除黏(nian)性影響隻能(neng)在被🌍測🌐黏度(dù)爲常數或掌(zhang)握其黏度變(biàn)化規律的情(qíng)況下,才能對(dui)黏性影響流(liú)🐅量示💰值進行(háng)修正。而在對(dui)浮子傳感器(qi)結構優化方(fāng)面:FisherK首先提出(chū)在标定中忽(hū)略黏性影響(xiang)的設計[5],此後(hou)Miller.R.w給出一系列(liè)特殊結💃構的(de)浮子💋形狀，,指(zhǐ)出這些浮子(zǐ)具有🐇黏度不(bú)敏感✔️上限值(zhí),在此黏度限(xiàn)制以😘下時,不(bu)需要進行🐅黏(nián)度校正。但在(zài)他們♍的工作(zuò)中并沒有指(zhǐ)出浮子流量(liàng)傳🌂感器黏性(xing)不敏㊙️感的工(gōng)作原理和适(shì)應的黏度範(fàn)圍。
　　本文試圖(tú)找到能夠減(jiǎn)小流體黏性(xìng)對測量影響(xiang)的浮子🏃流量(liàng)傳感器結構(gou),并分析總結(jié)減黏的機理(li),爲👉優化浮子(zi)結構提供理(lǐ)論基礎。由于(yú)在工業中使(shi)用測量黏性(xìng)溶液的浮子(zǐ)流量傳感器(qi)多是耐高溫(wēn)耐高壓的金(jin)屬浮子流✌️量(liang)傳感器,所以(yi)用流動顯示(shi)的實驗方法(fa)來研究浮子(zǐ)流量傳感器(qì)機理既不易(yì)觀💞察到浮子(zi)内🍓部流場的(de)變化,也增加(jiā)了研發的費(fei)用💜。鑒于此,本(běn)文采用CFX軟件(jian)對測量黏性(xing)介質的浮子(zǐ)流量傳感器(qì)内部流場進(jin)行了數值模(mo)拟,通過對仿(páng)真結果的分(fen)析,提出減小(xiao)黏性對浮子(zǐ)流量傳感器(qi)影響方法,并(bing)最終研制出(chū)受黏度影響(xiang)小的減黏浮(fú)子。
2浮子流量(liang)傳感器的基(jī)本結構
　　浮子(zi)流量傳感器(qì)基本結構如(rú)圖1所示,在垂(chuí)直的錐形管(guǎn)中放置一阻(zu)力件，也就是(shì)浮子。當流體(ti)自下而.上流(liú)過錐⭐管時，由(yóu)于浮子📞的阻(zu)塞作用使其(qí)上下表☎️面産(chan).生♋了壓差,從(cóng)而對浮子形(xing)成一個向上(shang)的作用力,如(ru)果所🐇測流體(ti)是黏性流體(ti),還應該考慮(lǜ)浮子表🥰面的(de)黏性摩擦力(li)。當升力大于(yú)浮子本身的(de)重力時💃🏻,浮子(zi)向上運動，此(cǐ)時浮子與錐(zhui)形管之間的(de)環通面積增(zeng)大,流速減.低(dī),浮子對流體(tǐ)阻力作用減(jiǎn)小。當浮子受(shòu)到的力達到(dào)平🌈衡時,浮子(zǐ)就會停🔴留在(zài)某一高度
 
3計算流體(ti)力學方法的(de)應用
　　本文計(jì)算中使用的(de)控制方程爲(wèi)RANS方程,選用工(gong)程中🔞常用的(de)Standardk-ε模型作爲流(liú)場計算的湍(tuān)流模型。爲了(le)簡便,以不可(kě)壓縮湍流流(liu)🌈動爲例寫出(chu)仿真使用的(de)k-ε模型通用形(xíng)式的流體控(kong)制方程。在直(zhí)角坐标系中(zhōng),流動🌈可由如(rú)下的雷諾時(shí)均N-S方程.和連(lián)續性方程來(lai)描述。
連續方(fang)程:
 
　　其中Ui爲平(píng)均速度，P爲平(ping)均壓力,ʋ和ʋt,分(fen)别爲分子黏(nián)性系㊙️數和渦(wō)黏性系數,對(duì)高Re數湍流,渦(wo)黏性系數由(yóu)下式決定:
 
别(bie)爲湍動能産(chan)生項和平均(jun)應變率張量(liang)。
　　同時爲了能(néng)夠動态仿真(zhēn)浮子流量傳(chuán)感器的測量(liang)原理,使浮子(zǐ)可以根據受(shou)力變化自動(dong)調整其在錐(zhuī)管中🍉的位置(zhì),本文根據牛(niu)頓第二定律(lü),得到浮子上(shàng)下移動💞的控(kong)制方程;
 
　　其中(zhōng)F.爲浮子表面(mian)壓力差,FV爲浮(fú)子所受到的(de)黏性力🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,G爲浮(fú)子受到🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的重(zhòng)力，m是浮子自(zi)身的質量,△t爲(wèi)計算叠代前(qian)後的時間差(chà),△u計算叠代前(qián)後的速度差(cha),計算中把相(xiàng)對速度轉化(huà)爲相對位移(yí)來控制.浮子(zǐ)的升降，直到(dao)被計算的浮(fu)子❤️所受到的(de)合力到達平(píng)衡。
4流場仿真(zhēn)與機理分析(xi)
　　仿真過程中(zhong)建立了浮子(zi)流量傳感器(qi)結構模型,如(ru)圖2所示。爲了(le)提高浮子流(liu)量傳感器入(ru)口仿真效果(guo),仿真按照尼(ni)古🙇‍♀️拉茲圓管(guan)速度剖面公(gong)式給出如圖(tu)3所示浮子流(liu)量傳感器💃🏻入(ru)口速度剖面(mian),圖中色标由(yóu)冷色調變化(hua)到暖色⁉️調表(biǎo)示流體速度(dù)由小到大,從(cong)僞色圖中可(ke)以看到從邊(bian)‼️壁到中心的(de)速度是由小(xiao)到大非線性(xìng)分🍓布的。爲了(le)清楚說明浮(fu)子流量⛹🏻‍♀️傳感(gǎn)器的仿真過(guo)程圖4給出測(ce)量黏性流🏃🏻體(tǐ)浮子流量傳(chuán)🔞感🐕器仿真計(jì)算的.流👈程簡(jiǎn)圖。
 
　　通過仿真(zhen),分别得到小(xiǎo)流量和大流(liu)量入口流量(liàng)條件🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下的傳(chuan)💔感☎️器速度剖(pōu)面僞色圖,如(rú)圖5、圖6所示。圖(tú)中可以清楚(chǔ)看到傳感器(qì)中流體在浮(fú)子周圍以及(jí)出入口的🈲速(su)度分布。随着(zhe)流量的增加(jia),浮子的位置(zhì)上升,浮子與(yu)錐管之間環(huán)隙變大,流體(tǐ)在錐管中的(de)速🌏度分布也(yě)随❓之發生明(míng)顯🚶的變化,據(jù)此可以定性(xing)判斷出計算(suan)所得結果是(shì)合理的。
 
　　爲了(le)研究流體黏(nian)性摩擦力對(duì)浮子表面受(shòu)力的影響,仿(páng)真計算了浮(fu)子表面受到(dao)的沿流向黏(nián)性摩擦力等(děng)值線圖,如圖(tu)7所示,圖中可(ke)以清楚的看(kan)到在浮子最(zui)大截面之前(qián)的浮子表面(mian)💜有淺綠色的(de)黏性摩💜擦力(lì)色帶區,它說(shuo)明浮子的前(qian)端受到了較(jiào)大沿流向的(de)黏性力影響(xiang),而在最大截(jie)面後部的浮(fú)子表面🏃上出(chū)現了深藍色(se)的黏性力色(se)帶,這說明此(ci)處浮子表面(mian)所受到的黏(nian)性摩擦力爲(wei)負值,即黏性(xing)力作用的方(fāng)向反向于流(liú)體流向,這種(zhong)現象在一定(ding)程度上減小(xiao)了黏性流體(ti)黏性力對浮(fu)子傳感器的(de)影響。通過觀(guan)察流體在通(tōng)過最大截面(mian)時的速度矢(shǐ)量圖,如圖8所(suo)示,可以發現(xiàn)渦旋作⭐用是(shi)造成浮子在(zài)最大截⁉️面後(hou)部出現負黏(nián)區的主要原(yuan)🌈因⛷️。
 
　　根據邊界(jiè)層理論,由于(yú)黏性而使物(wu)面邊界産生(shēng)邊🏃🏻界層,當黏(nián)性流體流過(guo)浮子最大截(jié)面而後突然(ran)流動‘分離”。這(zhè)樣産生的分(fen)離層迅速形(xíng)成一個或多(duō)個🏃🏻渦,這樣的(de)渦可以滞留(liu)在物體後部(bu)。也就是說,流(liu)體流經浮子(zǐ)與管壁之間(jian)的環隙時,環(huán)隙速度增大(dà),流🐇體在截面(miàn)内均勻分布(bù),當☂️截面沿流(liu)動方向突然(rán)增大的時候(hou)，由于♍分離形(xing)成了滯留在(zai)浮子最大截(jié)面後部的渦(wo)流區，從而形(xing)成🥰逆流,使浮(fú)子整體表面(miàn)所受到黏性(xing)摩擦力在流(liú)動方向上減(jian)小,甚至與浮(fu)子上升方向(xiang)相反,這樣就(jiù)部分抵消了(le)黏性帶來的(de)影👅響。根據以(yǐ)上分析,本文(wén)提出利用流(liú)體邊界層提(ti)前分離産生(sheng)的渦旋區實(shí)現浮子減黏(nián)的方案,其中(zhong)包㊙️括:最大截(jie)面之前的浮(fu)子表面👣積越(yuè)小,沿流向的(de)正📱黏性力作(zuò)🛀🏻用區域越小(xiǎo);迎流面的邊(bian)緣🏃越鋒利,分(fèn)離點越靠前(qián),分離造成😘的(de)渦旋效果越(yuè)顯著;分離所(suǒ)産♈生渦旋場(chang)中的浮子表(biǎo)面積越大,浮(fú)子🌂受到負黏(nián)性♉摩擦力越(yue)大。
　　根據仿真(zhen)研究得到的(de)減黏規律,本(ben)文在原有基(jī)本浮子👄(DF_C型)形(xíng)狀的基礎上(shang)研制了兩種(zhong)具有減黏特(tè)性的浮子:ACF型(xíng)和DFL型浮子♈,如(ru)圖9所示。
 
　　圖10與(yu)圖11給出兩種(zhong)減黏浮子在(zai)仿真流場中(zhōng)的速度🍓矢💜量(liàng)圖,圖中❗可以(yi)清楚看到減(jiǎn)黏浮子所産(chan)生的.強烈的(de)渦旋場。
　　在兩(liǎng)種新浮子結(jié)構中,ACF具有特(te)别鋒利的邊(bian)緣和靠前的(de)分離點,流體(ti)流過最大截(jié)面後,在浮子(zi)後部出🈲現劇(ju)💛烈的旋渦,故(gu)反向于📧流向(xiang)的黏性應力(li)很顯著;而DF_L雖(suī)然較ACF分離點(diǎn)靠後,渦旋沒(méi)有ACF型的強烈(liè),但其處在渦(wō)流區的浮子(zǐ)表面積要大(dà)⭕于ACF,(DF_L爲圓柱,而(ér)ACF爲圓台🌈),所以(yi)其在渦流區(qu)所受的反向(xiang)黏性摩擦力(li)也較大
5實驗(yàn)驗證
　　爲了檢(jiǎn)驗減黏浮子(zǐ)的減黏效果(guo)，,本實驗測試(shì)了三種🧑🏾‍🤝‍🧑🏼形狀(zhuang)浮子所構成(cheng)浮子流量傳(chuan)感器的減黏(nián)結果,浮子形(xíng)狀如圖🙇‍♀️9所示(shì)。實驗首先通(tong)過水溶液标(biao)定各個浮子(zǐ)流量傳感器(qì)的浮子流👄向(xiàng)高度🔴與流量(liang)的關系,然後(hòu)使用已标定(dìng)好的浮子🛀🏻流(liu)量傳感器測(cè)量黏度等于(yú)的黏性溶液(yè),由于黏性的(de)影響,浮子流(liu)量傳感器所(suo)測量黏🧑🏾‍🤝‍🧑🏼性溶(rong)液的流量與(yu)真實流量有(yǒu)一定誤差,誤(wu)差越大說明(ming)浮子流量傳(chuán)感器受到黏(nián)度影響越大(da),反之，,說明浮(fu)✔️子流量傳感(gǎn)器有減小黏(nian)性影響的特(tè)性。
　　實驗中不(bu)同浮子所構(gòu)成的浮子流(liú)量傳感器分(fèn)别對5種高💚黏(nian)度甲基纖維(wéi)素水溶液進(jìn)行了測量,由(you)于甲基纖維(wei)素的水溶液(ye)密度與水非(fēi)常接近(常溫(wen)下爲1001kg/m³),故可認(rèn)爲浮子流量(liàng)傳感器✂️測量(liàng)甲🌏基纖維素(su)水溶液體積(jī)流量無需🙇🏻密(mi)度修正。其中(zhōng)溶液黏度分(fèn)别爲137mPa·s,495mPa·s,1215mPa·s,1692，mPa。
和1962mPa's。
　　經過(guò)物理實驗得(dé)到不同類型(xing)浮子流量傳(chuán)感器測量黏(nián)性溶液流量(liàng)的測量誤差(cha),如表1。
 
　　從表中(zhōng)可知,ACF型浮子(zǐ)與DF_L型浮子在(zài)測量最大黏(nián)性溶液中測(ce)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量誤差分别(bie)爲17.22%和13.87%;平均測(cè)量誤差分别(bie)爲12.16%和7.75%;遠優于(yu)普通DF_C型浮子(zǐ)的最大測量(liang)誤差20.46%和平均(jun1)誤差14.67%;如果測(ce)量黏度在495mPa·s範(fàn)圍的黏性溶(rong)液，,兩種浮子(zi)的測🛀🏻量誤差(cha)可♻️以控制在(zài)5%以下,對于DF_L型(xing)浮子，其測量(liang)誤差☁️隻有2.82%。以(yi)上實驗數據(ju)驗證了仿真(zhēn)計算所得結(jié)論的正确性(xing),即通過增加(jiā)渦旋強度和(hé)增加渦旋區(qu)㊙️浮子面積對(dui)浮子流量🌈傳(chuan)感器的減黏(nián)作🏃🏻‍♂️用。
6小結
　　通(tong)過研究可以(yi)得到以下結(jie)論:
(1)利用CFD方法(fǎ)可以有效的(de)對測量黏性(xing)流體的浮子(zǐ)流量傳感🧑🏾‍🤝‍🧑🏼器(qi)進行模拟;在(zài)對流量傳感(gǎn)器的機理進(jin)行定性研究(jiu)中,發現了流(liu)體邊界層在(zài)最大截面處(chu)分離所産生(shēng)的渦🆚旋具有(you)減黏效果。
(2)讨(tao)論了利用渦(wo)旋場減小流(liú)體黏性影響(xiǎng)的機理與減(jiǎn)黏🐅浮子🏃‍♀️結構(gou)特征,并制造(zào)了兩種反映(yìng)浮子減黏特(te)征的浮子流(liú)量傳感器，通(tōng)過物理實驗(yàn)驗證了減😍黏(nian)浮子具有減(jian)黏的特性,減(jiǎn)黏浮子傳感(gǎn)器在1-495mPa.s的黏性(xìng)範圍内🔆測量(liang)時，介質黏性(xing)所引起的測(cè)量誤差可控(kong)制在2.9%以内

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