摘要:爲(wèi)了(le)減小黏(nián)性流體對浮(fú)子流量(liàng)傳感器 測量(liàng)的影響,本(běn)文采用(yòng)優化浮(fú)子結(jié)構(gòu)的方法(fǎ)來設計黏性不(bú)敏感浮子傳感(gǎn)器,運用計(jì)算流體力(lì)學(cfd)的方法對測(cè)量(liàng)黏(nián)性介(jiè)質的(de)浮子流量(liàng)傳感器進(jìn)行(háng)了(le)數值(zhí)仿真(zhēn),在仿(páng)真分(fèn)析的(de)基礎(chǔ)上，，發(fā)現流(liú)體在(zài)邊界(jiè)層分(fèn)離産(chǎn)生的渦旋流場(chǎng)可以減小黏性(xìng)對浮子(zǐ)流(liú)量傳(chuán)感器測量的影(yǐng)響(xiǎng),研(yán)究分析了(le)利用渦旋(xuán)場減(jiǎn)小流體黏(nián)性影(yǐng)響的機理與減(jiǎn)黏浮(fú)子結構的(de)特征;同(tóng)時(shí)設計(jì)制造了(le)利用渦(wō)旋效(xiào)應實(shí)現減(jiǎn)黏的(de)浮子(zǐ)流量(liàng)傳感器(qì),利(lì)用黏(nián)性物理實驗對(duì)減黏浮(fú)子的減(jiǎn)黏效果(guǒ)進(jìn)行了(le)驗證(zhèng),具有減黏(nián)效果(guǒ)的浮子流(liú)量傳感器在1-495mpa.s的黏性範圍内,介(jiè)質黏性(xìng)所引起(qǐ)的測量誤差可控制在2.9%以内.
1概述
　　利用浮子流(liú)量傳感器(qì)對流(liú)體的測(cè)量過程中,經常會涉及到對(duì)黏性流體(tǐ)的測量,當(dāng)實際(jì)測量工作介(jiè)質(zhì)的黏度與标定介質的(de)黏(nián)度不(bú)同時(shí),黏(nián)性(xìng)就會(huì)影響流量測量(liàng)的正确率。針對(duì)這個(gè)問題,國内(nèi)外許(xǔ)多(duō)學(xué)者作(zuò)了大(dà)量的研究(jiū),這些研究從方(fāng)法上講可分爲(wèi)兩大類,一(yī)類研究着眼于(yú)對現(xiàn)有的浮(fú)子流量(liàng)傳(chuán)感(gǎn)器通過實(shí)驗找出其黏性(xìng)修正(zhèng)曲線(xiàn);另一(yī)類着重于盡可能消(xiāo)除黏(nián)性影(yǐng)響的(de)浮子傳感(gǎn)器結(jié)構設計。
　　由(yóu)于利用黏(nián)性修(xiū)正曲線(xiàn)消(xiāo)除黏(nián)性影響隻能在(zài)被測(cè)黏(nián)度爲常(cháng)數或(huò)掌握(wò)其(qí)黏(nián)度變(biàn)化規律的(de)情況下(xià),才能對黏性(xìng)影響流量(liàng)示(shì)值進行修正(zhèng)。而在對(duì)浮子傳(chuán)感器結構(gòu)優化方面:fisherk首(shǒu)先提出(chū)在标定(dìng)中忽略黏性(xìng)影(yǐng)響的設(shè)計[5],此後miller.r.w給出一(yī)系列特殊結構(gòu)的浮子形狀，,指(zhǐ)出這些浮(fú)子具(jù)有(yǒu)黏度不敏感(gǎn)上限值,在此(cǐ)黏度限(xiàn)制以(yǐ)下時(shí),不需(xū)要(yào)進行黏(nián)度校(xiào)正。但(dàn)在他們的(de)工作中并(bìng)沒有指出浮子流量傳感(gǎn)器黏(nián)性不(bú)敏感(gǎn)的工作原理和(hé)适應(yīng)的(de)黏度範圍。
　　本(běn)文試(shì)圖找到(dào)能(néng)夠減小流(liú)體黏(nián)性對(duì)測量影響(xiǎng)的浮(fú)子流(liú)量傳(chuán)感器(qì)結(jié)構,并分(fèn)析總結減(jiǎn)黏的(de)機理(lǐ),爲優(yōu)化浮(fú)子結構提(tí)供理(lǐ)論基礎。由于在(zài)工業中使(shǐ)用測量黏(nián)性(xìng)溶液的(de)浮子流(liú)量傳感(gǎn)器多(duō)是(shì)耐高溫耐高壓的(de)金屬(shǔ)浮(fú)子流量傳感(gǎn)器,所以用(yòng)流動(dòng)顯示(shì)的實(shí)驗方(fāng)法來研(yán)究浮子流量傳(chuán)感器機(jī)理既(jì)不易(yì)觀察(chá)到浮子内部流(liú)場的(de)變化(huà),也增(zēng)加了(le)研(yán)發的費(fèi)用。鑒(jiàn)于(yú)此(cǐ),本文采用cfx軟件對測(cè)量黏性(xìng)介質的浮子(zǐ)流量(liàng)傳感(gǎn)器内部流場進(jìn)行了(le)數值模拟(nǐ),通過對仿真結(jié)果的分(fèn)析,提出(chū)減小黏性(xìng)對浮子流量傳感器(qì)影響方(fāng)法,并最終研制(zhì)出受黏(nián)度影響小(xiǎo)的減黏浮(fú)子。
2浮子流(liú)量傳感(gǎn)器的基(jī)本結構(gòu)
　　浮子流(liú)量(liàng)傳感器基本(běn)結構如圖1所示(shì),在垂(chuí)直(zhí)的錐形管中放(fàng)置一阻(zǔ)力件，也就是浮(fú)子。當流體自下(xià)而.上流過(guò)錐(zhuī)管(guǎn)時，由(yóu)于浮(fú)子的(de)阻塞(sāi)作用(yòng)使其上下表面産.生(shēng)了(le)壓差,從(cóng)而對(duì)浮子(zǐ)形成(chéng)一(yī)個向上(shàng)的作(zuò)用力,如果(guǒ)所(suǒ)測(cè)流體(tǐ)是黏性流(liú)體,還(hái)應該考慮浮子(zǐ)表面的黏性摩(mó)擦力。當升(shēng)力大(dà)于浮(fú)子(zǐ)本身的(de)重力(lì)時(shí),浮子向(xiàng)上運動，此時浮(fú)子與(yǔ)錐形管(guǎn)之(zhī)間的環通面積(jī)增大(dà),流(liú)速減.低(dī),浮子對流體阻(zǔ)力作(zuò)用減(jiǎn)小。當(dāng)浮子受到的力(lì)達到(dào)平衡時,浮(fú)子就會停(tíng)留在(zài)某一高度
 
3計算(suàn)流體力學方法的應(yīng)用(yòng)
　　本文計算中(zhōng)使用的控(kòng)制方程爲rans方程(chéng),選用工(gōng)程中常(cháng)用的standardk-ε模型(xíng)作爲(wèi)流場(chǎng)計(jì)算的湍(tuān)流模(mó)型。爲(wèi)了簡(jiǎn)便,以不可壓縮湍流(liú)流動(dòng)爲例寫出仿(páng)真(zhēn)使用(yòng)的k-ε模(mó)型通用形(xíng)式的(de)流體控制(zhì)方程(chéng)。在直角坐(zuò)标系中,流動可(kě)由如下(xià)的(de)雷諾(nuò)時均n-s方(fāng)程.和連(lián)續性(xìng)方程來描(miáo)述。
連(lián)續方程:
 
　　其(qí)中ui爲(wèi)平均速度，p爲平均壓(yā)力,ʋ和ʋt,分别爲(wèi)分子黏(nián)性系(xì)數和渦黏(nián)性系數,對(duì)高re數(shù)湍流,渦黏性系數由下(xià)式決定(dìng):
 
别爲湍(tuān)動能産生項(xiàng)和平均應(yīng)變率(lǜ)張量(liàng)。
　　同時(shí)爲了能夠動态(tài)仿真浮(fú)子(zǐ)流量(liàng)傳感器(qì)的測量(liàng)原理,使浮子可(kě)以根據(jù)受(shòu)力變(biàn)化自(zì)動調(diào)整其在錐(zhuī)管中(zhōng)的位(wèi)置,本文根據牛頓第二定律,得(dé)到浮子(zǐ)上(shàng)下移(yí)動的(de)控制方程(chéng);
 
　　其中f.爲浮(fú)子表(biǎo)面壓(yā)力(lì)差,fv爲浮(fú)子所受到(dào)的黏性(xìng)力(lì),g爲浮子受(shòu)到的(de)重(zhòng)力，m是浮(fú)子自(zì)身(shēn)的(de)質量(liàng),△t爲計(jì)算叠代前(qián)後的時間差,△u計(jì)算叠代前(qián)後的(de)速度差,計算中把相(xiàng)對(duì)速(sù)度轉化爲(wèi)相(xiàng)對(duì)位移(yí)來控制.浮(fú)子的(de)升降，直到(dào)被計(jì)算的浮(fú)子(zǐ)所受到的合力到達平衡。
4流場仿真與機理分析
　　仿(páng)真過程中建立(lì)了浮(fú)子流量傳(chuán)感器(qì)結構模型,如圖(tú)2所示。爲了(le)提高(gāo)浮子(zǐ)流量傳感器入口仿(páng)真效果,仿(páng)真按(àn)照尼古拉茲圓管速度剖面公(gōng)式給(gěi)出(chū)如圖3所(suǒ)示浮子(zǐ)流(liú)量傳(chuán)感器入口速(sù)度(dù)剖面(miàn),圖中(zhōng)色标由冷(lěng)色調變化到暖色調表示(shì)流體速度由小(xiǎo)到大,從僞(wéi)色圖中可以看到從邊壁到(dào)中(zhōng)心的速度是由(yóu)小到大非線性(xìng)分布的。爲(wèi)了清楚說明浮子(zǐ)流(liú)量傳感器的仿真過(guò)程圖(tú)4給出測量(liàng)黏性流體(tǐ)浮子(zǐ)流量傳感(gǎn)器仿真計算的.流程(chéng)簡圖。
 
　　通(tōng)過(guò)仿真,分别(bié)得到小流(liú)量和大流量入(rù)口流量條件(jiàn)下(xià)的傳感(gǎn)器(qì)速度剖面(miàn)僞(wéi)色圖,如(rú)圖5、圖(tú)6所示。圖中(zhōng)可(kě)以清楚(chǔ)看到(dào)傳感(gǎn)器中流體(tǐ)在浮(fú)子周圍以及出(chū)入(rù)口(kǒu)的速(sù)度分布。随着流(liú)量的增加,浮子(zǐ)的位置上升,浮(fú)子與錐管(guǎn)之間(jiān)環隙變(biàn)大,流體(tǐ)在錐管中的速度分(fèn)布也(yě)随之(zhī)發生明顯的變(biàn)化,據(jù)此可以定性判斷出計算所得結果是合(hé)理的。
 
　　爲了(le)研究(jiū)流體黏(nián)性(xìng)摩(mó)擦(cā)力對(duì)浮(fú)子(zǐ)表面受力的(de)影響,仿(páng)真計算了浮子(zǐ)表面受到的沿(yán)流向黏性(xìng)摩擦(cā)力等值(zhí)線(xiàn)圖,如(rú)圖7所示(shì),圖(tú)中可以清(qīng)楚的(de)看到(dào)在浮(fú)子最大截面之前(qián)的浮子(zǐ)表面有淺綠色的黏性摩擦力(lì)色帶區,它(tā)說明(míng)浮子的(de)前端受(shòu)到了較大沿流向的(de)黏性力影(yǐng)響,而在(zài)最大截(jié)面後(hòu)部的浮子(zǐ)表面(miàn)上出(chū)現了深藍色的黏性(xìng)力色帶,這(zhè)說明此處浮(fú)子表面(miàn)所受(shòu)到的(de)黏性(xìng)摩擦力爲負值(zhí),即黏性力作用(yòng)的方向(xiàng)反向于(yú)流體流向,這種現象(xiàng)在(zài)一定程度(dù)上減小(xiǎo)了黏(nián)性流(liú)體(tǐ)黏(nián)性力(lì)對浮子(zǐ)傳(chuán)感器的影響。通過觀(guān)察流體在(zài)通過(guò)最大截(jié)面(miàn)時的(de)速度矢量圖(tú),如(rú)圖8所示,可(kě)以發現渦(wō)旋作(zuò)用是造成浮(fú)子在最(zuì)大截面後部出(chū)現負黏區的主(zhǔ)要原因。
 
　　根據邊(biān)界層理論,由于(yú)黏性(xìng)而使物面(miàn)邊界(jiè)産生邊界(jiè)層,當(dāng)黏性流體(tǐ)流過浮(fú)子(zǐ)最大(dà)截面而後(hòu)突然(rán)流動(dòng)‘分離”。這樣(yàng)産生的分離層(céng)迅速(sù)形(xíng)成一(yī)個(gè)或多個渦(wō),這樣(yàng)的渦可以滞留(liú)在物體後部。也(yě)就是說,流體流(liú)經浮(fú)子(zǐ)與管壁(bì)之間的環隙時,環隙速度增大,流體(tǐ)在截(jié)面内(nèi)均勻分布,當截面沿(yán)流動方向(xiàng)突然(rán)增大(dà)的時候，由于(yú)分離形(xíng)成了(le)滯(zhì)留(liú)在浮(fú)子最大截面後(hòu)部的渦流(liú)區(qū)，從(cóng)而形成逆流,使浮子(zǐ)整(zhěng)體表面(miàn)所受(shòu)到(dào)黏性摩(mó)擦(cā)力在流(liú)動方(fāng)向上減小(xiǎo),甚至與浮子上升方(fāng)向相(xiàng)反(fǎn),這樣就(jiù)部分(fèn)抵消了黏性帶(dài)來的影響(xiǎng)。根據以上分(fèn)析(xī),本文提(tí)出(chū)利用(yòng)流體(tǐ)邊界層提(tí)前分(fèn)離(lí)産生的渦(wō)旋區實(shí)現浮(fú)子減黏的方案(àn),其中(zhōng)包(bāo)括(kuò):最大(dà)截面(miàn)之前的浮(fú)子表(biǎo)面積越小,沿流向(xiàng)的正黏(nián)性力作(zuò)用(yòng)區(qū)域(yù)越小;迎流面的邊緣越(yuè)鋒(fēng)利,分離點越靠前,分(fèn)離造成的渦旋(xuán)效果越(yuè)顯著;分(fèn)離所産(chǎn)生渦旋(xuán)場中的(de)浮子表(biǎo)面積(jī)越大,浮子(zǐ)受到(dào)負(fù)黏性摩(mó)擦力越大。
　　根(gēn)據仿真研究(jiū)得到的減黏規(guī)律,本文在原有基本(běn)浮子(df_c型)形(xíng)狀的(de)基礎(chǔ)上研制了兩種(zhǒng)具有減黏特性的浮子:acf型(xíng)和dfl型浮子,如圖(tú)9所示。
 
　　圖10與圖11給(gěi)出兩種減(jiǎn)黏(nián)浮子在仿真流場(chǎng)中的速度(dù)矢量(liàng)圖,圖中可以清(qīng)楚看(kàn)到(dào)減黏浮(fú)子所産生(shēng)的.強(qiáng)烈的渦旋場。
　　在兩種(zhǒng)新(xīn)浮子結(jié)構中(zhōng),acf具有特别鋒利(lì)的邊緣和(hé)靠前的分(fèn)離點(diǎn),流體(tǐ)流(liú)過最大(dà)截面後,在浮子後部(bù)出現劇烈(liè)的旋渦,故反向于流向的(de)黏性(xìng)應力很顯著;而df_l雖然較(jiào)acf分離點(diǎn)靠後,渦(wō)旋沒有(yǒu)acf型的(de)強烈(liè),但其(qí)處在渦流(liú)區的浮子(zǐ)表面積要(yào)大于acf,(df_l爲圓(yuán)柱,而acf爲圓台),所以其在(zài)渦(wō)流區所受(shòu)的反向黏性摩擦力也(yě)較大
5實(shí)驗驗證
　　爲了檢(jiǎn)驗減(jiǎn)黏浮子的(de)減黏(nián)效(xiào)果，,本實(shí)驗測試(shì)了三種(zhǒng)形狀(zhuàng)浮子所構(gòu)成浮(fú)子(zǐ)流量傳(chuán)感器(qì)的減黏結(jié)果(guǒ),浮子(zǐ)形狀如(rú)圖9所示。實驗首先通(tōng)過(guò)水溶液(yè)标定各個浮子流量(liàng)傳(chuán)感器的浮子流向高度(dù)與流量的關系(xì),然後使(shǐ)用已标定好的浮(fú)子流(liú)量傳(chuán)感器測量(liàng)黏度等于(yú)的黏(nián)性溶液,由(yóu)于黏(nián)性的影響(xiǎng),浮子(zǐ)流量傳感器所測量(liàng)黏性(xìng)溶液(yè)的流(liú)量(liàng)與真實(shí)流量有一定誤(wù)差,誤(wù)差(chà)越大說(shuō)明浮子流量傳(chuán)感器(qì)受到黏度(dù)影響越(yuè)大,反之，,說明浮子流(liú)量(liàng)傳感器有減小黏性(xìng)影(yǐng)響(xiǎng)的特性。
　　實驗中不同(tóng)浮子(zǐ)所(suǒ)構成的(de)浮子流量傳(chuán)感器分别對5種高黏度甲基纖維素水溶(róng)液進行(háng)了測量,由(yóu)于甲(jiǎ)基纖維素的水(shuǐ)溶液密度(dù)與水(shuǐ)非常接(jiē)近(常溫(wēn)下爲(wèi)1001kg/m³),故可(kě)認爲(wèi)浮子流(liú)量(liàng)傳感(gǎn)器測量甲基纖(xiān)維素水溶液體(tǐ)積流量(liàng)無需密(mì)度修(xiū)正。其中溶(róng)液黏(nián)度分(fèn)别爲(wèi)137mpa·s,495mpa·s,1215mpa·s,1692，mpa。
和1962mpa's。
　　經(jīng)過物理實驗得到不(bú)同類(lèi)型浮(fú)子(zǐ)流量傳(chuán)感器(qì)測量黏性溶(róng)液(yè)流量的測(cè)量誤差,如(rú)表1。
 
　　從(cóng)表中(zhōng)可知(zhī),acf型浮(fú)子與(yǔ)df_l型(xíng)浮子在(zài)測量(liàng)最大(dà)黏性溶(róng)液中測量誤差分别爲(wèi)17.22%和13.87%;平(píng)均測量誤差分(fèn)别爲11.12%和7.75%;遠(yuǎn)優于普通df_c型(xíng)浮子的(de)最大測量(liàng)誤差(chà)20.46%和平(píng)均誤(wù)差14.67%;如(rú)果測量黏度在(zài)495mpa·s範圍(wéi)的黏(nián)性溶(róng)液，,兩種浮子的(de)測量誤差(chà)可以(yǐ)控制在5%以下,對(duì)于df_l型浮(fú)子，其測(cè)量誤差隻有2.82%。以(yǐ)上實(shí)驗數(shù)據驗證了(le)仿真(zhēn)計算(suàn)所得結(jié)論(lùn)的正(zhèng)确性,即通(tōng)過增(zēng)加渦(wō)旋強度和增加(jiā)渦旋區浮(fú)子面(miàn)積對浮子(zǐ)流量傳感器的(de)減黏(nián)作(zuò)用。
6小結
　　通過研究可以(yǐ)得到(dào)以下結論(lùn):
(1)利用(yòng)cfd方法可以(yǐ)有效的(de)對測量(liàng)黏性(xìng)流體的浮(fú)子流量傳(chuán)感器(qì)進行(háng)模拟;在對(duì)流(liú)量傳感器的(de)機理進行定性(xìng)研究(jiū)中,發現了流體邊界層在(zài)最大截面(miàn)處分(fèn)離所(suǒ)産生的渦(wō)旋具有減黏效果。
(2)讨論了(le)利用(yòng)渦旋場減小流(liú)體黏(nián)性影響的機理與減(jiǎn)黏浮子結構特(tè)征,并(bìng)制造了兩(liǎng)種反(fǎn)映浮(fú)子(zǐ)減黏特(tè)征的浮子(zǐ)流量(liàng)傳感器，通過物(wù)理實驗驗(yàn)證了減黏(nián)浮子具有減黏的(de)特(tè)性,減(jiǎn)黏浮子傳(chuán)感器(qì)在1-495mpa.s的黏(nián)性(xìng)範圍(wéi)内測量時，介質(zhì)黏性所引(yǐn)起的(de)測量誤(wù)差可控制在2.9%以内(nèi)

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