摘要:爲了減(jian)小黏性流體對浮(fú)子流量傳感器 測(ce)量的影響,本文采(cǎi)用優化浮子結構(gou)的方法來設🏃‍♂️計黏(nian)👉性💜不敏感浮子傳(chuan)感器,運用計算流(liu)體力學(CFD)的方法對(dui)測量黏性介😄質的(de)💰浮子流量傳感器(qì)進行了數值仿真(zhēn),在仿真分析的基(ji)礎上，，發現流體在(zài)邊界層分離産☎️生(shēng)的渦旋流場可以(yǐ)減小黏性♉對浮子(zǐ)流量傳感器測量(liang)的影響,研究分析(xī)了利用渦旋場減(jiǎn)🐕小流體黏性影響(xiǎng)的機理與減黏浮(fu)子結構的特征;同(tóng)時設計制造了利(lì)用渦♌旋效應實現(xian)減黏的浮子🔞流量(liang)傳感器,利用黏性(xing)物理實驗對減🔱黏(nián)浮子的減黏效果(guǒ)進行了驗證,具有(you)減黏效果的浮子(zǐ)流量傳感器在1-495mPa.s的(de)黏性範圍内,介質(zhì)黏性所引起的測(cè)量誤差可控制在(zài)2.9%以内.
1概述
　　利用浮(fú)子流量傳感器對(duì)流體的測量過程(chéng)中,經常會涉及到(dào)對黏性流體的測(ce)量,當實際測量工(gōng)作介質的黏度與(yǔ)标定介質的🍓黏度(du)不同時,黏性就會(hui)影響流量測量的(de)正确率。針對這個(ge)問題,國内外許多(duō)學者作了⭕大量的(de)研究,這些研究從(cóng)方法🔞上講可分爲(wei)兩大類,一🔅類研究(jiu)着眼于對現有的(de)浮子流量傳🈚感器(qì)通過實驗找出其(qi)黏性修正曲線;另(lìng)一類着重于盡可(kě)能消除黏性影響(xiǎng)的浮子傳感器結(jié)構設計。
　　由于利用(yòng)黏性修正曲線消(xiao)除黏性影響隻能(neng)在被測黏度爲🍓常(chang)♈數或掌握其黏度(dù)變化規律的情況(kuàng)下,才能對黏✌️性影(ying)響流量示值進行(háng)修正。而在對浮子(zǐ)🆚傳感器🌏結構優化(hua)方面:FisherK首先提出在(zài)标定中忽略黏性(xing)影響的設計[5],此後(hou)Miller.R.w給出一系❗列特殊(shū)結💋構的浮子形狀(zhuang)，,指出這些浮子具(jù)有黏度不敏感上(shàng)限值,在此💚黏度限(xiàn)制以下時,不需要(yao)進行黏度校正。但(dàn)在他們的工作中(zhōng)并沒有🍓指出浮子(zǐ)流量傳感器黏性(xìng)不敏感的工作原(yuán)理和适🌂應的黏度(dù)範圍。
　　本文試圖找(zhǎo)到能夠減小流體(ti)黏性對測量影響(xiang)的浮子㊙️流量傳感(gan)器結構,并分析總(zǒng)結減黏的機理,爲(wèi)優化浮子結構提(tí)供理論🐉基礎。由于(yú)在工業中使用測(cè)量黏性溶液的浮(fú)子🤟流量傳感器多(duō)👌是耐高溫耐高壓(ya)的金屬浮子流量(liàng)傳感器,所以用流(liu)✨動顯示的實驗方(fang)法來研究浮子流(liu)量傳感器機理既(ji)不易觀🧑🏾‍🤝‍🧑🏼察到浮子(zi)内部流場的變化(huà),也增加了研發的(de)🛀🏻費用。鑒于此,本文(wen)采用CFX軟件對測量(liang)黏性🧑🏾‍🤝‍🧑🏼介質的浮子(zi)流⭐量傳感器内部(bù)流場🌈進行了數值(zhi)模拟,通🔴過對仿真(zhēn)結果的分析,提出(chū)減小🤩黏性對浮子(zǐ)流量傳感器影響(xiang)方法,并最終研制(zhì)出受黏度影響小(xiao)的🌈減黏浮子👉。
2浮子(zǐ)流量傳感器的基(jī)本結構
　　浮子流量(liang)傳感器基本結構(gòu)如圖1所示,在垂直(zhi)的錐形管中🙇🏻放✨置(zhì)⁉️一阻力件，也就是(shì)浮子。當流體自下(xià)而.上流過錐🤞管時(shi)，由于浮子的阻塞(sāi)作用使其上下表(biao)面産.生🌍了壓差🐇,從(cóng)而對😄浮子形成一(yī)個向上的作用力(lì),如果所測流體是(shi)黏性流體,還應該(gāi)考慮浮子表🈚面的(de)黏性摩擦力。當升(shēng)力大于浮子本身(shēn)的重力時,浮子向(xiang)上運動，此時浮子(zǐ)與錐形管之間的(de)環通面積增大,流(liu)速減.低,浮子對流(liú)體阻力📧作用減小(xiao)。當浮✉️子🏃🏻受到的力(lì)達到平💋衡時,浮子(zi)就會停留在某一(yi)高度
 
3計算流體力學方(fāng)法的應用
　　本文計(jì)算中使用的控制(zhì)方程爲RANS方程,選用(yòng)工程中常用🐅的Standardk-ε模(mo)型⁉️作爲流場計算(suan)的湍流模型。爲了(le)簡便,以不可壓縮(suō)湍流流動爲例寫(xie)出仿真使用的k-ε模(mó)型🛀🏻通用形式的流(liú)🐪體控制方程。在直(zhi)角坐标系中,流動(dong)🥵可由如下的雷諾(nuò)時均N-S方程.和連續(xù)性方程來描述🌐。
連(lian)續方程:
 
　　其中Ui爲平(ping)均速度，P爲平均壓(yā)力,ʋ和ʋt,分别爲分子(zi)黏性系數和渦黏(nián)性系數,對高Re數湍(tuān)流,渦黏性系數由(yóu)下式決🔞定:
 
别爲湍(tuan)動能産生項和平(ping)均應變率張量。
　　同(tong)時爲了能夠動态(tài)仿真浮子流量傳(chuán)感器的測量🆚原理(lǐ),使浮子可以根據(jù)受力變化自動調(diao)整其在錐👉管中的(de)位⭕置,本文根據牛(niú)頓第二定律,得到(dào)浮子上下移動的(de)控制❓方程;
 
　　其中F.爲(wei)浮子表面壓力差(chà),FV爲浮子所受到的(de)黏性力,G爲浮📐子受(shòu)到的重力，m是浮子(zǐ)自身的質量,△t爲計(jì)算叠代前🆚後的時(shi)間差,△u計算叠代前(qián)後的速度差,計算(suan)中把相對速度轉(zhuan)化爲相☔對位移來(lái)控制.浮子的升降(jiàng)，直到被計算的浮(fu)子所受到的合力(li)到達🙇🏻平衡。
4流場仿(pang)真與機理分析
　　仿(pang)真過程中建立了(le)浮子流量傳感器(qi)結構模型,如圖2所(suo)示🏃。爲了提高浮子(zǐ)流量傳感器入口(kou)仿真效果,仿真按(an)照尼古拉茲圓管(guan)速度剖面公式給(gei)出如圖📐3所示浮子(zǐ)流量傳感器入口(kǒu)速度剖面,圖中色(se)标由🛀🏻冷色調變化(huà)到暖色調表示流(liú)🈲體速度由小到大(dà),從🔴僞色圖中可以(yǐ)看到從邊壁到中(zhong)心的速度是由小(xiao)🙇🏻到大非線性分布(bu)的。爲了清楚說明(míng)浮子流量傳感器(qì)的仿真過程圖4給(gěi)出測量黏性流體(tǐ)浮子流量傳感器(qì)仿真計算的.流🔴程(chéng)簡圖。
 
　　通過仿真,分(fèn)别得到小流量和(hé)大流量入口流量(liang)條件下的傳感器(qi)速度剖面僞色圖(tu),如圖5、圖6所示。圖中(zhong)可以清楚看到傳(chuán)感🔴器中流體在浮(fu)子周圍以及出入(rù)口的🍓速度分布。随(sui)着流量的增加,浮(fu)子的位置上升,浮(fu)子與錐管之間環(huan)隙變大,流體在錐(zhui)管中的速度分布(bù)也随之發生明顯(xiǎn)✂️的變化,據此🌐可以(yǐ)定性判斷出計算(suàn)所得結果是合理(li)的👣。
 
　　爲了研究流體(tǐ)黏性摩擦力對浮(fu)子表面受力的影(yǐng)響💛,仿真計算了浮(fú)子表面受到的沿(yan)流向黏性摩擦🍉力(lì)等值線圖,如🔞圖7所(suo)示,圖中可以清楚(chu)的看到在浮子最(zuì)大截面之前的浮(fu)子表面有淺綠色(sè)的黏性摩擦力色(se)帶區,它說明浮子(zǐ)的前端受到了較(jiào)大沿流🔴向的黏性(xing)力影響,而在最大(dà)截面後部的浮子(zǐ)表面💘上出現了深(shen)❓藍色的黏性力色(sè)♌帶,這說明此處⛷️浮(fú)子表面所受到的(de)黏性摩擦力爲負(fu)值,即黏性力作用(yong)㊙️的方向反向于流(liu)體流向,這種現象(xiàng)在一定程度上減(jiǎn)小了黏性流體黏(nian)性力對浮子傳感(gǎn)器的影🌍響。通🚩過觀(guan)察流體在通過最(zui)大截面時的速度(dù)矢量圖,如圖8所示(shi),可以發現渦旋作(zuò)用是造成浮子在(zài)最大截面後部出(chū)現負黏區的主要(yào)原🐕因🈲。
 
　　根據邊界層(céng)理論,由于黏性而(er)使物面邊界産生(shēng)邊界層⛷️,當♌黏性📱流(liu)體流過浮子最大(da)截面而後突然流(liu)動‘分離”。這💃樣産生(shēng)的🛀🏻分離層迅速形(xíng)成一個或多個渦(wo),這樣的渦可以滞(zhì)留在物體後部。也(yě)就是說,流體✍️流經(jing)浮子👉與管壁之間(jiān)的環隙時,環隙速(su)度增大,流體在截(jié)面内均勻分布,當(dāng)截面沿流動方向(xiang)突然增🧑🏽‍🤝‍🧑🏻大的時候(hou)，由于分離形成了(le)滯留在浮子最大(dà)💘截面後部的渦流(liu)區，從🎯而形成🚶‍♀️逆流(liu),使浮子整體表面(mian)所受到黏性摩擦(cā)力在流動方向上(shang)減小,甚🏃🏻至與浮子(zǐ)上升方向相反,這(zhè)樣就⭐部分抵消了(le)黏性帶來的影💞響(xiang)。根據以上分析,本(běn)文提出利用流體(ti)邊❌界層提前㊙️分離(li)産生的渦旋區實(shi)現浮子減黏的方(fāng)案,其中包括:最大(dà)截面之前的浮子(zi)表面❓積越小,沿流(liú)向的正黏性力作(zuo)用區域越小;迎流(liú)面的邊緣☔越鋒利(li),分離🎯點越靠前,分(fen)離造成的渦旋效(xiào)果越顯著;分離所(suo)👌産生渦旋場中的(de)浮子表面積越大(dà),浮子受到負黏性(xìng)摩擦力越大。
　　根據(ju)仿真研究得到的(de)減黏規律,本文在(zai)原有基本浮子(DF_C型(xíng))形♈狀🏃‍♂️的基礎上研(yan)制了兩種具有減(jian)黏特性的浮子:ACF型(xing)和DFL型浮子,如圖9所(suo)示。
 
　　圖10與圖11給出兩(liang)種減黏浮子在仿(páng)真流場中的速度(du)矢量圖,圖中可以(yǐ)清楚看到減黏浮(fu)子所産生的.強烈(liè)的渦旋場。
　　在兩種(zhong)新浮子結構中,ACF具(ju)有特别鋒利的邊(biān)緣和靠前的分離(li)點,流體流過最大(dà)截面後,在浮子後(hou)部出♈現劇烈的旋(xuán)渦,故反向于流向(xiàng)的黏性應力很顯(xiǎn)著;而DF_L雖然💃🏻較ACF分離(li)😍點靠後,渦旋沒有(you)ACF型的強烈,但其處(chu)⛹🏻‍♀️在渦流區的浮子(zi)表面積要大🤞于ACF,(DF_L爲(wèi)圓柱💋,而ACF爲圓台),所(suǒ)以其在渦流區所(suo)受的反向黏性摩(mo)擦力也較大
5實驗(yan)驗證
　　爲了檢驗減(jiǎn)黏浮子的減黏效(xiào)果，,本實驗測試了(le)三種形狀浮🈲子💋所(suo)構成浮子流量傳(chuan)感器的減黏結果(guo),浮子形狀如圖⭕9所(suo)示。實驗首先通過(guo)水溶液标定各🌈個(gè)浮子流量傳⭐感器(qi)的浮子流向高度(dù)與流量的關系,然(rán)後使用已标定好(hǎo)的浮子流量傳感(gǎn)🌈器測量黏度等于(yu)的黏性溶液,由于(yu)黏性的影響,浮子(zǐ)流量傳感器所測(cè)量黏性溶液的流(liu)量與真實流量有(yǒu)一定誤差,誤差越(yue)大說明浮子流量(liàng)傳感器受到黏度(du)影響越大,反之，,說(shuō)明浮子流量傳感(gan)器有減小黏性影(ying)響的特性。
　　實驗中(zhong)不同浮子所構成(cheng)的浮子流量傳感(gǎn)器分别🛀對5種☁️高黏(nian)度甲基纖維素水(shui)溶液進行了測量(liang),由于甲基纖維素(sù)的水溶✂️液密度與(yu)水非常接近(常溫(wēn)下爲1001kg/m³),故可認爲浮(fu)子流量傳感器測(ce)量甲基纖維素水(shuǐ)溶液體積流量無(wú)需密度修正。其中(zhōng)溶液黏度分别爲(wèi)137mPa·s,495mPa·s,1215mPa·s,1692，mPa。
和1962mPa's。
　　經過物理實驗(yàn)得到不同類型浮(fu)子流量傳感器測(cè)量黏性📐溶液流量(liang)的測量誤差,如表(biao)1。
 
　　從表中可知,ACF型浮(fú)子與DF_L型浮子在測(cè)量最大黏性溶液(yè)👣中測量誤差分别(bié)爲17.22%和13.87%;平均測量誤(wù)差分别爲12.16%和7.75%;遠優(you)于普👄通DF_C型浮子的(de)最大測量誤差20.46%和(hé)平均誤差14.67%;如果測(ce)量黏度在495mPa·s範圍的(de)黏性溶液，,兩種浮(fu)子的測量誤差可(kě)以控制在5%以下,對(duì)于DF_L型浮子，其測量(liàng)誤差隻有2.82%。以上實(shí)驗數據驗證了仿(pang)真計算所得結論(lùn)的正确性,即通過(guo)🌈增加渦旋強度和(hé)增加渦旋區浮子(zi)面積對浮子流量(liang)傳感器🐅的減黏作(zuo)用。
6小結
　　通過研究(jiū)可以得到以下結(jié)論:
(1)利用CFD方法可以(yi)有效的對測量黏(nián)性流體的浮子流(liu)量傳感器進行模(mo)拟;在對流量傳感(gǎn)器的機理進行定(dìng)性研究中,發現了(le)🌂流體邊界層在最(zui)大截面處分🧑🏽‍🤝‍🧑🏻離所(suǒ)産💚生的渦旋具有(you)減黏效🌈果。
(2)讨論了(le)利用渦旋場減小(xiǎo)流體黏性影響的(de)機理與減黏浮子(zǐ)結構特征,并制造(zào)了兩種反映浮子(zi)減黏特征的浮子(zǐ)流量傳感器，通過(guo)物理實驗驗證了(le)減黏浮子具有減(jiǎn)黏的特性,減黏浮(fu)子傳感器在1-495mPa.s的黏(nián)性範圍内測量時(shi)，介質黏性所♈引起(qǐ)的測量誤差可控(kòng)制在2.9%以内

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