摘要:爲了減(jian)小黏性流體(tǐ)對浮子流量(liàng)傳感器 測量(liàng)的影響,本文(wen)采用優化浮(fú)子結構的方(fang)法來設計黏(nián)性不敏感浮(fu)子傳感器,運(yun)用計算流體(ti)力學(CFD)的㊙️方法(fa)💰對測量黏性(xing)介質的浮子(zi)流量傳感器(qi)進行了🚶數值(zhi)仿真,在仿真(zhen)分析的基礎(chu)上，，發現流體(tǐ)在邊界層分(fen)離産生的渦(wo)旋☂️流場可以(yǐ)減小黏性對(duì)浮子流🔅量傳(chuán)感器測量的(de)影響,研究分(fèn)析了利用渦(wō)旋場減小流(liu)體黏性影響(xiang)的機理與減(jian)黏浮子結構(gou)的特征💘;同時(shi)設計制造了(le)利用渦旋效(xiào)應實💜現減黏(nian)的浮子流量(liang)傳感器,利用(yòng)黏性物理實(shí)驗對減黏浮(fú)子的減♋黏效(xiào)果進行了驗(yan)證,具有減黏(nian)效果的浮子(zi)流量傳👣感器(qi)在1-495mPa.s的黏性範(fàn)🏃‍♀️圍内,介🈲質黏(nian)性所引起的(de)測量誤㊙️差可(kě)控制在✊2.9%以内(nèi).
1概述
　　利用浮(fú)子流量傳感(gan)器對流體的(de)測量過程中(zhong),經常會🍉涉及(ji)☂️到對黏性流(liú)體的測量,當(dāng)實際測量工(gong)作介質的黏(nián)度✂️與标✍️定介(jie)⭐質的黏度不(bu)同時,黏性就(jiu)會影響流量(liàng)⭐測量的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻正确(què)率。針對這個(ge)問題,國内外(wai)許多💞學者作(zuò)了大量的研(yán)究,這些研究(jiū)從方法上講(jiǎng)可分爲兩大(da)類,一👈類研究(jiū)着眼于對現(xiàn)有的🌂浮子流(liú)量傳🈲感器通(tong)過實驗找出(chu)其黏性修正(zhèng)曲線;另一類(lèi)着重于盡可(kě)能消除黏性(xìng)影響的浮子(zǐ)傳感器結構(gou)設計。
　　由于利(li)用黏性修正(zheng)曲線消除黏(nian)性影響隻能(néng)在被測黏度(du)爲常數或掌(zhǎng)握其黏度變(biàn)化規律的情(qing)況下,才能對(duì)黏性影響流(liu)量示值進行(háng)修正。而在對(dui)浮子傳感器(qì)🈲結構優💃化方(fang)面:FisherK首先提出(chu)在标定中忽(hū)略黏性影響(xiǎng)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(zhi)出這💞些浮子(zǐ)具有黏度不(bu)敏感上限值(zhí),在此🔞黏度限(xiàn)制以下時,不(bú)需要進行黏(nián)度校正。但在(zài)🧡他們的工作(zuo)中并沒有指(zhǐ)出浮子流量(liang)傳感器黏性(xìng)不敏🌂感的工(gong)作原理和适(shì)應的黏度範(fàn)圍。
　　本文試圖(tu)找到能夠減(jiǎn)小流體黏性(xing)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(zǐ)結構提供🔞理(li)論🔞基礎。由于(yú)在工業中使(shi)用測量黏性(xing)溶液📐的浮子(zǐ)流量傳感器(qi)多是耐高溫(wēn)耐高壓的金(jīn)屬浮子流🛀量(liàng)傳感器,所以(yǐ)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(jia)了研發的費(fèi)用。鑒于此,本(běn)🌈文采用CFX軟件(jian)對測量黏性(xìng)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(bìng)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(ji)本結構
　　浮子(zǐ)流量傳感器(qi)基本結構如(rú)圖1所示,在垂(chui)直的錐形管(guan)中放置一阻(zu)力件，也就是(shi)浮子。當流體(ti)自下而.上流(liu)過錐管時，由(you)于浮子的阻(zu)塞作用使其(qi)上下表面産(chǎn).生🔆了壓差😘,從(cong)而對浮子形(xíng)成一個向上(shang)的作用力,如(rú)果所測流體(ti)是黏性流體(ti)👉,還應該考慮(lü)浮子表面的(de)黏性摩擦力(li)。當升力大于(yu)浮子本身的(de)重力時🔅,浮子(zǐ)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(zi)就會停留👨‍❤️‍👨在(zài)某一高度
 
3計算流體(tǐ)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(liú)動爲例寫出(chū)仿真使用的(de)k-ε模型通用形(xíng)🛀🏻式的流體控(kòng)制方程。在直(zhi)角坐标系中(zhong),流動可由如(rú)下的雷諾時(shi)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(ping)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(dui)高Re數湍流,渦(wō)黏性系數由(you)下式決定:
 
别(bie)爲湍動能産(chan)生項和平均(jun1)應變率張量(liang)。
　　同時爲了能(néng)夠動态仿真(zhen)浮子流量傳(chuán)感器的測量(liang)原理,使浮子(zi)♋可以根據受(shou)力變化自動(dong)調整其在錐(zhui)管中的位置(zhi),本文根據牛(niú)頓第二定律(lǜ),得到浮子上(shàng)下移動的控(kòng)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(zhong)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(cha),△u計📐算叠代前(qian)後的速度差(chà),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(dào)被計算的浮(fu)子♊所受到的(de)合力到達平(píng)衡。
4流場仿真(zhen)與機理分析(xī)
　　仿真過程中(zhōng)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(rù)口仿真效果(guǒ),仿真按照尼(ni)古拉茲圓管(guǎn)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(huà)到暖色調表(biao)示流體速度(dù)由♌小到大,從(cóng)✉️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(xing)分♻️布的。爲了(le)清楚說明浮(fu)子流量傳感(gan)器的仿真過(guo)程圖4給出測(ce)量黏性流體(ti)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(xiao)流量和大流(liú)量入口流量(liàng)條💋件下的傳(chuan)感器速度剖(pou)面僞色圖,如(ru)圖5、圖6所示。圖(tu)中可以清楚(chǔ)🌏看到傳感💚器(qì)中㊙️流體在浮(fú)子周圍以及(ji)出入口的速(su)度分布。随着(zhe)流量的增加(jiā),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(ming)顯的變化,據(jù)此👅可以定性(xìng)判斷出計算(suàn)所♻️得🈲結果是(shì)合理的🌈。
 
　　爲了(le)研究流體黏(nian)性摩擦力對(dui)浮子表面受(shou)力的影響,仿(pang)🌈真計算了浮(fú)子表面受到(dao)的沿流向黏(nián)性摩擦力等(deng)⚽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(qian)的浮子表面(miàn)有淺綠色的(de)黏性摩擦力(lì)色帶區,它說(shuo)明浮子的前(qián)🌏端受到了較(jiào)大沿流向的(de)黏性力影響(xiǎng),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(sè)帶,這說明此(cǐ)處♍浮子表面(mian)所受到的黏(nián)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(dìng)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(guān)察流體在通(tong)過最大截面(miàn)時的速度✊矢(shǐ)量圖,如🥰圖8所(suo)示,可以發現(xiàn)渦旋作用是(shì)造成浮子在(zai)最大截面後(hòu)部出現負黏(nián)區的主要原(yuan)🍉因🛀🏻。
 
　　根據邊界(jie)層理論,由于(yu)黏性而使物(wu)面邊界産生(shēng)邊界💛層,當黏(nian)🥵性流體流過(guo)浮子最大截(jie)面而後突然(rán)流🌈動‘分😘離”。這(zhè)樣産生的分(fen)離層迅速形(xing)成一個或多(duō)個渦,這樣的(de)渦可以滞留(liú)在物體後部(bu)。也⭕就是說,流(liu)體流經浮子(zi)與管壁之間(jian)的環隙🔴時,環(huan)隙速度增大(da),流體在截面(mian)内均勻分布(bu),當🧡截面沿流(liu)動方向突然(ran)增🔞大的時候(hou)，由于分離形(xíng)成了滯留在(zai)浮子最大截(jié)面後部的渦(wo)流區，從而形(xíng)成逆流,使浮(fu)子整體表面(mian)所受到黏性(xìng)摩擦力在流(liú)動方向上減(jian)小,甚至與浮(fú)子上升方向(xiàng)相反,這樣就(jiu)部分抵消了(le)黏性帶來🥰的(de)影🧡響。根據以(yi)上分析✂️,本文(wen)提出利用流(liú)體邊界層提(tí)前分離産生(sheng)的渦旋區實(shí)現😍浮子減黏(nian)的方案,其中(zhong)包💜括:最大截(jié)面之前的浮(fú)子💔表面積越(yuè)小,沿流向的(de)正黏性力作(zuo)用區域越小(xiǎo);迎流面的邊(biān)緣👈越㊙️鋒利,分(fen)離點越靠前(qián),分離造成的(de)渦旋效果越(yuè)顯著;分離所(suo)産🔞生渦旋場(chang)中的浮子表(biao)面積越大,浮(fu)子受到負黏(nian)性摩擦力越(yue)大。
　　根據仿真(zhēn)研究得到的(de)減黏規律,本(ben)文在原有基(ji)本♌浮子(DF_C型)形(xing)狀的基礎上(shàng)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(rú)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(yǐ)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(tè)别鋒利的邊(biān)緣和靠前的(de)🚶分👉離點,流體(ti)流過最大截(jié)面後,在浮子(zǐ)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(sui)然較ACF分離點(dian)靠後🏒,渦旋沒(mei)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(xiàng)黏性摩擦力(li)也較大
5實驗(yan)驗證
　　爲了檢(jiǎn)驗減黏浮子(zi)的減黏效果(guo)，,本實驗測試(shi)了三📱種形狀(zhuang)🈲浮子所構成(cheng)浮子流量傳(chuan)感器的減黏(nian)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(zi)流量傳🛀🏻感器(qì)的💜浮子流👈向(xiàng)高度與流量(liàng)的關系,然後(hou)使用已标定(dìng)🍉好的浮子流(liu)量傳感器測(ce)量黏💃度等于(yu)的黏性溶液(ye),由于🌈黏性的(de)影響,浮子流(liu)量傳感器所(suǒ)測量黏性溶(rong)液的流量與(yu)真實流量有(yǒu)一定誤差,誤(wù)差越大說明(míng)浮子流量傳(chuan)感👄器受到黏(nián)度影響越大(da),反之，,說明浮(fú)子流量傳感(gǎn)器有減小黏(nian)性影響的特(te)性。
　　實驗中不(bu)同浮子所構(gòu)成的浮子流(liu)量傳感器分(fèn)别🔴對5種高黏(nián)度甲基纖維(wei)素水溶液進(jin)行了測量,由(yóu)于甲基纖維(wei)素的水溶液(yè)密度與水非(fei)常接近(常溫(wēn)下爲1001kg/m³),故可認(rèn)爲浮子流量(liang)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(zhong)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(xíng)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(zhong)可知,ACF型浮子(zǐ)與DF_L型浮子在(zài)測量最大黏(nian)性溶⛷️液中測(cè)量誤差分别(bie)爲17.22%和13.87%;平均測(cè)量誤差分别(bie)爲12.13%和7.75%;遠優于(yú)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(cè)量黏度在495mPa·s範(fan)圍的黏性溶(róng)液，,兩種浮子(zi)的測量誤差(chà)可以控制在(zai)5%以下,對于DF_L型(xíng)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(jie)論的正确性(xìng),即通過增加(jia)渦旋強度和(he)增加渦旋區(qū)浮子面積對(duì)浮子流量🙇‍♀️傳(chuán)感器的減黏(nian)作用。
6小結
　　通(tong)過研究可以(yǐ)得到以下結(jié)論:
(1)利用CFD方法(fa)可以有效的(de)對測量黏性(xìng)流體的浮子(zǐ)流量傳感器(qì)進行模拟;在(zai)對流量傳感(gǎn)器的機理進(jìn)行定性💰研究(jiu)中,發現了流(liú)體邊界層在(zai)最大截面處(chù)分離所産生(shēng)的渦👨‍❤️‍👨旋具有(yǒu)減黏效果。
(2)讨(tǎo)論了利用渦(wō)旋場減小流(liú)體黏性影響(xiǎng)的機理與減(jian)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(liu)量傳感器，通(tōng)過物理實驗(yan)驗證了減🈚黏(nian)浮子具有減(jian)♊黏的特性,減(jiǎn)黏浮子傳感(gan)器在1-495mPa.s的黏性(xing)範圍内測量(liàng)時，介質黏性(xing)所引起的測(ce)量誤差可控(kong)制在2.9%以内

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