摘要(yào)：通過(guò)研究(jiū)粘度對(duì)浮(fú)子流(liú)量傳(chuán)感器(qì) 測量的影響,運(yùn)用實驗(yàn)手段,測(cè)出(chū)粘度爲(wèi)10~50mm³/s的.4050航(háng)空潤滑油(yóu)對浮(fú)子流(liú)量(liàng)傳(chuán)感器(qì)的影(yǐng)響誤差約爲10%左右。結合浮(fú)子流量傳感器(qì)的邊界層理論與内部流體流(liú)動情況(kuàng),運用cfd軟(ruǎn)件仿(páng)真,将粘度(dù)對dn40mm浮子(zǐ)流量傳(chuán)感器影響誤差(chà)控制(zhì)在5%以(yǐ)内。從(cóng)流場(chǎng)的(de)角度分析浮子(zǐ)流(liú)量傳(chuán)感器粘度影響(xiǎng)規律及其(qí)機理,并且模式化仿真模型(xíng),爲(wèi)以後流量傳感器的仿(páng)真提供了借鑒作(zuò)用(yòng)。
　　浮(fú)子流量傳感器(qì)是以浮子在垂直錐形管中随着流(liú)量變(biàn)化而升降(jiàng),改變它們(men)之間(jiān)的流通面積來(lái)進行測量的體(tǐ)積流(liú)量儀表,又(yòu)稱轉子流量傳(chuán)感器(qì)或變面積(jī)流量(liàng)傳感器”。浮(fú)子流(liú)量(liàng)傳(chuán)感器(qì)測量精.度受流(liú)動介質密度和(hé)粘度影響較大。國内外一些學(xué)者做了(le)大(dà)量試(shì)驗研(yán)究2.3,試圖減小(xiǎo)這兩個方面(miàn)對測量(liàng)精度的(de)影響。葉佳敏通(tōng)過大量(liàng)粘度實驗得到(dào)流(liú)量與不同浮子高度(dù)之間的關(guān)系曲線和(hé)非牛(niú)頓流(liú)體的粘(zhān)度(dù)影響(xiǎng)規律(lǜ)。
　　4個粘度共(gòng)24個流量點(diǎn)的實(shí)流實(shí)驗,然後(hòu)通(tōng)過數值仿(páng)真求解了兩個粘度共12個流量點的流(liú)量(liàng)情況,并根(gēn)據仿真模型結(jié)構化(huà)出另(lìng)外兩(liǎng)個粘度12個(gè)流量(liàng)點的仿(páng)真模型(xíng),與實驗對比,仿真誤(wù)差在5%以内(nèi)。由此總結(jié)出dn40mm錐(zhuī)管浮(fú)子(zǐ)流量傳感器(qì)多粘度仿(páng)真模(mó)型,該模型(xíng)便于以後(hòu)深入(rù)研究(jiū)浮子流量傳感器(qì)粘度影(yǐng)響機(jī)理和優化(huà)減粘浮子(zǐ)的結(jié)構。
1實驗研(yán)究
　　本(běn)實驗介質(zhì)爲4050航(háng)空潤(rùn)滑油(yóu),實驗(yàn)粘度(dù)範圍(wéi)爲10~50mm2/s。采用稱(chēng)重(zhòng)法标定(dìng)流量傳感(gǎn).器,控(kòng)制系統采(cǎi)用變(biàn)頻穩(wěn)壓(yā)方式,裝(zhuāng)置精(jīng)度爲5%0。系統(tǒng)根(gēn)據(jù)設定(dìng)的工(gōng)作壓(yā)力和流量(liàng)值,由(yóu)變(biàn)頻器控(kòng)制油(yóu)泵的輸出(chū)功率。該(gāi)裝置采(cǎi)用改變介質溫(wēn)度的方式改變(biàn)介質粘度(dù)值,其中有一(yī)套(tào)完整的加(jiā)熱和(hé)冷卻系統,實驗管道(dào)内設(shè)置(zhì)有溫度(dù)傳感器(qì),随時采(cǎi)集實驗介質溫(wēn)度,通過溫(wēn)度與(yǔ)介質(zhì)粘度的對(duì)應關系,給出實(shí)驗介(jiè)質的粘度(dù)值。實驗(yàn)裝(zhuāng)置如(rú)圖1所示。
 
　　用稱重(zhòng)法在可變(biàn)粘度(dù)流量标準裝置(zhì)上檢定該(gāi)流量(liàng)傳感器,檢定過(guò)程爲(wèi):調節變頻器,使标定軟.件(jiàn)測量(liàng)到的電(diàn)壓(yā)值分别對應流量傳感器9.0mi、0.2qxomas、0.4qxomas、0.6qxomas、0.8qqxomas和qxomas6個刻度(dù)值上,記錄(lù)标準表流量和(hé)介質(zhì)溫度(dù)。利用刻度換算(suàn)公式(shì)将表盤上水刻(kè)度值換算(suàn)到實際流(liú)體的流量(liàng)值。
　　對量程範圍1~10m³/h、精度(dù)等級(jí)1.5級的dn40mm浮子流量(liàng)傳感器進(jìn)行實驗研(yán)究。qxo是(shì)刻(kè)度流量(liàng),qvomax爲流(liú)量傳感(gǎn)器(qì)量程(chéng)上(shàng)限(xiàn),qv是實(shí)際流(liú)量,δ1是滿度(dù)誤差(chà),δ1=|(qy0-qy)1/qxomax100%,實驗(yàn)數據(jù)見表(biǎo)1。
 
從表1可以(yǐ)看出:
a. 同一粘度(dù)流體,滿(mǎn)度誤差(chà)随着流量的增大而(ér)增大。根據(jù)邊界(jiè)層理論,同(tóng)一種粘度的流(liú)體,當.流(liú)量增大(dà)時,浮子(zǐ)壁(bì)面上(shàng)邊界層的厚度會(huì)變薄,而邊界(jiè)層内流(liú)速的速(sù)度梯(tī)度會變大(dà),從而(ér)導(dǎo)緻(zhì)浮子(zǐ).所受的(de)粘(zhān)性切(qiē)應(yīng)力變大,所以流量越大,滿(mǎn)度(dù)誤差.越(yuè)大(dà)。

b.不同粘度的同一種(zhǒng)流體(tǐ),在同一流(liú)量下，滿(mǎn)度誤差(chà)随着粘度(dù)的增(zēng)大而增大。根據(jù)邊界層(céng)理(lǐ).論,不同粘(zhān)度(dù)的流體(tǐ)流過浮子流量(liàng)傳感(gǎn)器時,粘度(dù)越大,邊(biān)界層厚度越大(dà),流(liú)體的(de)有效(xiào)流通面積(jī)就越小，另外，粘(zhān)度的增大導緻(zhì)浮子受到的粘(zhān)性切應(yīng)力變大(dà)。因此(cǐ),必須減小(xiǎo)浮子流量(liàng)傳感(gǎn)器的入口流.量才能使(shǐ)浮(fú)子處在某一(yī)高度時(shí),維持受力(lì)平衡(héng)。
2仿(páng)真研究
2.1軟件(jiàn)簡介
　　計算流體(tǐ)力學(computationalfluiddynam-ics,cfd)是利用計算機(jī)求解描述流體(tǐ)流動規律(lǜ)的控制方程組(zǔ)技術,涉及到流(liú)體力學、計算方(fāng)法及計(jì)算機圖(tú)形處理(lǐ)等技術(shù)。
2.2湍流模型的選(xuǎn)擇
　　sstk-ɷ模(mó)型(xíng)是menterfr提出的标準k-ɷ模(mó)型的一個變形8。該模(mó)型合(hé)并了來源(yuán)于ɷ方程中(zhōng)的交(jiāo)叉擴散,并且(qiě)湍(tuān)流粘度的計算(suàn)考慮到了湍流(liú)剪應(yīng)力的(de)傳播。該模(mó)型可以較(jiào)好地計算(suàn)邊壁(bì)和環(huán)隙附近流(liú)體的束縛(fù)流動(dòng)情況,還可以正(zhèng)确計算.湍流核(hé)心區(qū)域流體(tǐ)的(de)流動情(qíng)況(kuàng)。該模(mó)型在近(jìn)壁自由流中(zhōng)較标準的k-ɷ模型有(yǒu)着更高(gāo)的精度,在(zài)湍流(liú)核心區(qū)域的計(jì)算較标準k-ɷ模型有更(gèng)廣(guǎng)泛的應用。
選擇的仿真(zhēn)介質爲運動粘(zhān)度範圍(wéi)10~50mm2/s的(de)航空潤滑(huá)油，粘(zhān)性影(yǐng)響明(míng)顯。粘性流(liú)體(tǐ)流(liú)經浮(fú)子流(liú)量傳感器時,由(yóu)于粘性的影響(xiǎng),浮子流量(liàng)傳感(gǎn)器内(nèi)雷諾數迅(xùn)速減(jiǎn)小,并(bìng)且考慮到(dào)浮子.與導(dǎo)向杆的(de)壁(bì)面約束作用(yòng),通過比(bǐ)較,選(xuǎn)擇sstk-ɷ模型作(zuò)爲浮子(zǐ)流量傳(chuán)感器的湍流模型。
　　在gambit中(zhōng)做出浮(fú)子流量傳(chuán)感器(qì)的二(èr)維(wéi)模型,并劃分網格(gé),然後(hòu)把模型導入到(dào)fluent軟件.中(zhōng),進(jìn)行湍流模型的設置(zhì)、人口(kǒu)條(tiáo)件設置、計(jì)算(suàn)模型選擇(zé)、介質屬性設置及浮子表面粗(cū)糙度(dù)設置(zhì)等操(cāo)作。
2.3仿真(zhēn)結果
　　對(duì)10mm²/s和50mm²/s粘度的12個流(liú)量點建立模型并進行數(shù)值求(qiú)解,誤差在(zài)5%以内(nèi)。針對(duì)30mm²/s和40mm²/s粘(zhān)度的12個(gè)點,在flu-ent建模時(shí),隻移動浮子的(de)位移即可,其他(tā)的網(wǎng)格都是模塊化(huà)的，fluent中的設(shè)置隻有粘度項(xiàng)和人口(kǒu)速度不同,其他完全相(xiàng)同。仿真結果表明:誤.差(chà)也在5%以(yǐ)内(nèi)。
2.3.1仿真誤差分(fèn)析
　　令仿真(zhēn)流量爲q，則(zé)相(xiàng)對誤差(chà)δy=1(qf-qv0)i/qy0×100%,不同粘度(dù)下流(liú)量的(de)相對誤差(chà)如(rú)圖2所(suǒ)示。
 
　　由圖(tú)2可知(zhī),不同(tóng)粘(zhān)度(dù)下所得的(de)仿真(zhēn)流量和(hé)實(shí)際流(liú)量的誤差(chà)均未(wèi)超過5%,說明數值(zhí)仿真建模(mó)、劃分(fèn)網格(gé)、選擇(zé)湍流(liú)模型以及(jí)求解(jiě)控制參(cān)數(shù)等方(fāng)面都是(shì)合理的。cfd數值仿真流場(chǎng)與實驗流(liú)場吻合,cfd數(shù)值仿真模(mó)型能夠很好地(dì)反映實驗結.果(guǒ)。
2.3.2速度雲圖(tú)及其分析(xī)
　　爲了直觀(guān)地反映同一流(liú)量點(diǎn)不同粘度(dù)下流量(liàng)傳(chuán)感器(qì)中速(sù)度的(de)變化(huà),選取0.6qydmax時(shí)不同粘度.下(xià)x方向速度(dù)進行(háng)分析(xī),速度雲圖如圖3所示(shì)。
 
由圖3可以(yǐ)分析(xī)出:
a.在(zài)同一刻度(dù)流量點(diǎn),x方向的(de)速度和速度梯(tī)度随着流動介(jiè)質粘度的(de)增(zēng)大(dà)而減小。原(yuán)因是(shì)流體(tǐ)的粘度增(zēng)大了,内(nèi)部摩擦力增大,流體克(kè)服摩擦力做功(gōng)增加,從而(ér)壓力損失增大(dà),速度(dù)和速(sù)度(dù)梯度都(dōu)減(jiǎn)小了。
b.在(zài)同一(yī)刻度流(liú)量點,随(suí)着流(liú)體粘度增(zēng)大，流體(tǐ)通(tōng)過環(huán)隙後的(de)漩渦尾流(liú)區(qū)影響變小(xiǎo)。原因是流體粘(zhān)度減小,速度明(míng)顯減小(xiǎo),雷(léi)諾數減小(xiǎo)，漩渦.的傳(chuán)播速度減小，而(ér)同時粘性(xìng)切應(yīng)力變大，渦(wō)量的衰減速度增大(dà)。
2.3.3環隙速度(dù)分析(xī)
　　刻度流量爲0.6qv0max的(de)仿真(zhēn)模(mó)型,其軸(zhóu)向103.5mm處(chù)爲錐管截(jié)面積(jī)最(zuì)大(dà)處也就是(shì)環隙(xì)處，提(tí)取了環隙處的(de)速度數值(zhí),繪制(zhì)曲線(xiàn)如圖(tú)4所示(shì)。
 
　　從圖(tú)4可(kě)以(yǐ)看出(chū)，環隙(xì)處流體的(de)速(sù)度随着粘度(dù)的增大而減(jiǎn)小(xiǎo)。原因是(shì)同(tóng)一刻(kè)度流量下,環隙的面(miàn)積(jī)是相同(tóng)的,而流體介質(zhì)的粘度增(zēng)大,則(zé)其内.部摩(mó)擦力消耗增(zēng)大,使流(liú)過環(huán)隙處(chù)的速(sù)度(dù)降(jiàng)低。
3數值仿(páng)真與實驗(yàn)數據對比(bǐ)
　　仿真(zhēn)的滿(mǎn)度誤差(chà)小(xiǎo)于5%,而(ér)實驗(yàn)數據的滿(mǎn)度誤差是11%,二者(zhě)不同的主要原(yuán)因爲:
a.實驗(yàn)數據(jù)本身存在着誤(wù)差。該實驗(yàn)是通(tōng)過改變溫度來(lái)改變介質(zhì)粘度的,但是實(shí)驗過(guò)程中溫(wēn)度并非恒定,有(yǒu)一定的波動,所(suǒ)以溫度值有(yǒu)一定的誤(wù)差,從而(ér)根(gēn)據溫度取(qǔ)得的密度(dù)和粘(zhān)度值(zhí)也有誤差。
b.仿真的粘(zhān)度值與(yǔ)實驗(yàn)的(de)粘度值有(yǒu)誤差(chà)。實驗是每個流(liú)量點正反(fǎn)行程(chéng)都(dōu)測了兩次,而仿真的粘度值(zhí)是取各次實驗(yàn)的平均值,設定(dìng)參數,每(měi)個流量(liàng)點(diǎn)的(de)粘度隻有(yǒu)一個(gè)數值。這(zhè)種(zhǒng)方法必然(rán)導緻(zhì)流體的(de)仿真粘(zhān)度和(hé)實驗(yàn)粘度(dù)存在(zài)誤差。
c.仿真(zhēn)本身存在誤差。流場(chǎng)是(shì)連(lián)續的(de),但是cfd數值仿真(zhēn)是采(cǎi)用離散化的手段對流場(chǎng)進行(háng)叠代(dài)計算(suàn)。如果(guǒ)網格(gé)較少(shǎo),則計算結果不夠正(zhèng)确,會産生(shēng)誤差(chà);如果(guǒ)網格(gé)過多,會使截斷(duàn)誤差增(zēng)大(dà),同樣(yàng)也會引(yǐn)起(qǐ)較大(dà)誤差(chà)。
4結束語
　　通(tōng)過實驗和數值(zhí)仿真,總結出粘度對(duì)浮(fú)子(zǐ)流量(liàng)傳感器的(de)影響。通過(guò)對比(bǐ)發現(xiàn),數值仿真可以(yǐ)更透(tòu)徹地看到管體内(nèi)部(bù)流體(tǐ)的流(liú)動情況,但是數值仿真需(xū)要經(jīng)驗和對流(liú)場狀(zhuàng)态的(de)基(jī)本把握(wò),需(xū)要(yào)一定(dìng)的理論(lùn)基礎，而(ér)實驗(yàn)可(kě)以獲得(dé)大量新的的資料,可以将數值(zhí)仿真作(zuò)爲(wèi)實驗(yàn)的有(yǒu)效(xiào)補充。

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