摘要:爲了減(jian)小黏性流體(ti)對浮子流量(liang)傳感器 測量(liang)的影響,本文(wen)采用優化浮(fu)子結構的方(fāng)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(fǎ)⛱️對測量黏💜性(xìng)介🙇🏻質的浮子(zi)流量傳感器(qi)進行了🔴數值(zhí)仿💞真,在仿真(zhēn)分析的基礎(chǔ)✍️上，，發現流體(ti)在邊界層分(fen)離産生的渦(wō)旋流場可以(yǐ)減小黏性對(dui)浮子流量傳(chuán)感器測量的(de)影響,研究分(fen)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(nian)的浮子流量(liàng)傳感器,利用(yòng)黏性物理實(shí)驗對減黏浮(fu)子的減黏效(xiao)果進⭐行了驗(yan)證,具❤️有減黏(nián)♻️效果的浮子(zǐ)流量傳感器(qì)在1-495mPa.s的黏性範(fan)圍内,介質黏(nián)性所引起的(de)測量誤🍓差可(kě)控制在2.9%以内(nei).
1概述
　　利用浮(fu)子流量傳感(gǎn)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(nian)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(que)率。針對這個(ge)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(jiang)可分爲兩大(dà)類,一類研究(jiū)着眼于對現(xiàn)有的浮子流(liu)量傳感器通(tong)過實驗找出(chu)其黏性修正(zheng)曲線;另一類(lei)着重于盡可(kě)能🤩消除黏性(xing)影響的浮子(zǐ)傳感器結構(gou)設計。
　　由于利(lì)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(zhang)握其黏度變(biàn)化規律的情(qing)況下,才能對(dui)黏性影🈲響流(liu)量示值進行(hang)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(xiǎng)的設計[5],此後(hòu)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(bu)敏感上限值(zhí),在此黏度限(xian)制以✌️下🔞時,不(bu)需要進行黏(nian)度校正。但在(zài)♉他們的工作(zuo)中并沒有指(zhǐ)出浮子流量(liàng)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(tú)找到能夠減(jian)小流體黏性(xing)對測量影響(xiǎng)的浮子流⭐量(liang)傳感器結構(gou),并分析總結(jié)減黏的機理(lǐ),爲🙇‍♀️優化浮子(zi)結構提供💰理(lǐ)論基礎。由于(yu)在工業中使(shi)用測量黏性(xing)溶液的浮子(zǐ)流量傳感器(qì)多是耐高溫(wēn)耐高壓的金(jin)屬浮子流量(liàng)傳感器,所以(yi)用流動顯示(shì)的實驗方法(fa)來研究浮子(zi)流量傳感器(qi)機理既不易(yì)觀察到浮子(zǐ)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(jiàn)對測量黏性(xìng)介質的浮子(zǐ)流量🔞傳感器(qì)内部流場進(jìn)行了數值模(mó)拟,通過對仿(pang)真結果的分(fen)析,提出減小(xiǎo)❌黏性對浮子(zǐ)流量傳感器(qi)影響方法,并(bìng)最終研⭐制出(chu)受黏度影響(xiang)小的減黏浮(fu)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(chui)直的錐♻️形管(guan)中放置一阻(zǔ)力件，也就是(shi)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(tǐ)是♻️黏性流體(ti)✏️,還應該考🌈慮(lǜ)浮子表🈚面的(de)黏性摩擦力(lì)。當升力大于(yu)浮子本身的(de)重力時,浮子(zi)向上運動，此(ci)時浮子與錐(zhui)形管之間的(de)環通面積增(zēng)大,流速減.低(di),浮子對流體(tǐ)阻力作用減(jian)小。當浮子受(shòu)到的力達到(dao)平衡時,浮子(zǐ)就會停留在(zai)某一高度
 
3計算流體(tǐ)力學方法的(de)應用
　　本文計(ji)算中使用的(de)控制方程爲(wei)RANS方程,選用工(gōng)程中常用的(de)Standardk-ε模型🌈作爲流(liú)場計算的湍(tuan)流模型。爲了(le)簡便,以不💛可(ke)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(xing)式的流體控(kong)制🈲方程。在直(zhi)角坐标系中(zhong),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(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(wo)黏性系數由(yóu)下式決定:
 
别(bie)爲湍動能産(chǎn)生項和平均(jun1)應變率張量(liang)。
　　同時爲了能(neng)夠動态仿真(zhēn)浮子流量傳(chuan)感器的測量(liàng)原理,使浮子(zǐ)可以根據受(shòu)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(lü),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(fu)子所受到的(de)黏性力,G爲浮(fu)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(qián)🤞後的🌏時間👉差(cha),△u計‼️算叠代前(qián)後的速度差(chà),計算中把相(xiang)對速度轉🚶‍♀️化(hua)爲相對位移(yi)來控制.浮子(zi)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(zhēn)與機理分析(xi)
　　仿真過程中(zhōng)建立了浮子(zǐ)流量傳感器(qi)結構模型,如(ru)圖2所🍉示。爲🆚了(le)🌈提高浮子流(liú)量傳感器入(rù)口仿真效果(guǒ),仿真按照尼(ní)古拉茲圓管(guan)速度剖面公(gong)式給出如圖(tú)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(cóng)僞色圖中可(kě)以看到從邊(bian)壁到中心的(de)速度是由小(xiǎo)到大非線性(xìng)✊分布的。爲了(le)清楚說明浮(fu)子流量傳感(gan)㊙️器的仿真過(guò)程圖4給出測(ce)💯量黏性流體(tǐ)浮子流量傳(chuán)感器仿真計(ji)算的.流⛱️程簡(jian)圖。
 
　　通過仿真(zhen),分别得到小(xiao)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(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(fu)子周圍以及(jí)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(huan)隙變大,流體(ti)在錐管中的(de)速度分布也(yě)随之發生明(míng)顯的變化,據(ju)此可以定性(xing)判斷出計算(suan)所得結果是(shi)合理的❤️。
 
　　爲了(le)研究流體黏(nián)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(dào)的沿流向黏(nián)性摩擦力等(deng)值線😄圖,如圖(tú)7所示,圖中可(ke)以清楚的看(kàn)到在浮子最(zui)大截面之🏃‍♂️前(qián)的浮子表面(miàn)有淺綠色的(de)黏性摩擦力(li)色帶區,它說(shuō)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(jié)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(miàn)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(liu)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(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(xian)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(jiè)層理論,由于(yú)黏性而使物(wù)面邊界産生(sheng)邊界層,當黏(nián)性流體流過(guò)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(xing)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(liú)體流經浮子(zi)與管壁之間(jiān)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(liú)動方向突然(rán)增大的時候(hòu)，由于分離形(xíng)成了滯留在(zài)浮子最大截(jie)面🚩後部的渦(wo)流區，從而形(xíng)成逆流,使浮(fú)子整體表面(miàn)所🏃‍♀️受到黏性(xìng)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(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(ti)前分離産生(shēng)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(fu)子😍表面積越(yue)小,沿流向的(de)正黏性力作(zuo)用區域越小(xiao);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(yuè)大。
　　根據仿真(zhen)研究得到的(de)減黏規律,本(běn)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(xing)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(zài)仿真流場中(zhong)的速度矢量(liàng)圖,圖中✔️可以(yi)清楚看到減(jiǎn)黏浮子所産(chǎn)生的.強烈的(de)渦旋場。
　　在兩(liang)種新浮子結(jie)構中,ACF具有特(tè)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(gù)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(diǎn)靠後,渦旋沒(méi)有ACF型的強烈(liè),但其處🏃🏻‍♂️在渦(wo)流區的浮子(zi)表🚩面積要大(dà)于ACF,(DF_L爲圓柱,而(er)ACF爲圓台),所以(yǐ)其在渦流區(qu)所受的反向(xiang)黏性摩🔱擦力(lì)也較大
5實驗(yàn)驗證
　　爲了檢(jian)驗減黏浮子(zǐ)的減黏效果(guǒ)，,本實驗測試(shi)了三種形狀(zhuang)浮子所構成(chéng)浮子流量傳(chuan)感器的減黏(nian)結果,浮子👄形(xing)狀如圖9所示(shì)。實驗首先通(tōng)過水溶液标(biāo)定各個浮子(zi)流量傳🐆感器(qi)的浮子流向(xiang)高度與流量(liang)的關👅系,然後(hou)使用已标定(dìng)❌好的浮子流(liú)量傳感器測(cè)量黏㊙️度等于(yu)的黏性溶液(ye),由于黏性的(de)影響,浮子流(liú)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(wu)差越大說❄️明(míng)浮子流量傳(chuán)感器受到黏(nian)度影響越大(da),反之，,說明浮(fú)子流量傳感(gan)器有減小黏(nián)性影響的特(te)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(wei)素水溶液進(jìn)行了測量,由(yóu)于甲基🏃纖維(wéi)素的水溶液(ye)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(mì)度修正。其中(zhōng)溶液黏度分(fen)别😄爲137mPa·s,495mPa·s,1215mPa·s,1692，mPa。
和1962mPa's。
　　經過(guò)物理實驗得(de)到不同類型(xing)浮子流量傳(chuan)感器測🏃🏻量黏(nian)性溶液流量(liàng)的測量誤差(chà),如表1。
 
　　從表中(zhōng)可知,ACF型浮子(zǐ)與DF_L型浮子在(zai)測量最大黏(nián)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(bié)爲12.17%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(ce)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(cha)可☎️以控制在(zai)5%以下,對于DF_L型(xíng)浮子，其測量(liàng)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(jia)渦旋強度和(hé)增加渦旋區(qū)浮子面積對(dui)浮🤞子流量傳(chuan)感器的減黏(nian)作用。
6小結
　　通(tōng)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(zi)流量🌂傳感器(qì)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(chù)分離所産生(shēng)的渦旋具有(you)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(jiǎn)黏浮💔子結構(gòu)特征,并制造(zào)了兩種反映(ying)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(jian)黏浮子傳☎️感(gǎn)器在1-495mPa.s的黏性(xing)範圍内📧測量(liang)時，介質黏性(xìng)所引起的測(cè)量誤差可控(kòng)制在2.9%以内🈲

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