摘要(yao):爲了減小(xiao)黏性流體(ti)對浮子流(liu)量傳感器(qi) 測量的影(ying)響,本文采(cai)用優化浮(fu)子結構的(de)方法來設(she)計黏👅性不(bu)敏感浮子(zi)傳感器,運(yun)用計算流(liu)體力學(CFD)的(de)方法👉對測(ce)量黏性介(jie)質的浮子(zi)流量傳感(gan)器進行了(le)數值仿真(zhen),在仿真分(fen)析的基礎(chu)上，，發現流(liu)體在邊界(jie)層分離産(chan)🍓生的渦旋(xuan)流場可以(yi)減小黏性(xing)對浮子流(liu)量傳感器(qi)測量的影(ying)響,研❤️究分(fen)析了利✉️用(yong)渦旋場減(jian)小流體黏(nian)性影響的(de)機理與減(jian)黏浮子結(jie)構的👨‍❤️‍👨特征(zheng)🔞;同時設計(ji)制造了利(li)用渦旋效(xiao)應實現減(jian)黏的浮子(zi)流量傳感(gan)器,利用黏(nian)👄性物理實(shi)驗對減黏(nian)浮子的減(jian)黏效果進(jin)行了驗證(zheng),具🔅有減黏(nian)效果的浮(fu)子流量傳(chuan)感器在1-495mPa.s的(de)黏性範圍(wei)内,介🔞質黏(nian)性所引起(qi)🌈的測量誤(wu)差可控制(zhi)在2.9%以内.
1概(gai)述
　　利用浮(fu)子流量傳(chuan)感器對流(liu)體的測量(liang)過程中,經(jing)常會涉及(ji)到㊙️對⭕黏性(xing)流體的測(ce)量,當實際(ji)測量工作(zuo)介質的黏(nian)度與标定(ding)介質的♉黏(nian)度不同時(shi),黏性就會(hui)影響流量(liang)測量的⚽正(zheng)确率。針對(dui)這個問題(ti),國内外許(xu)多學者作(zuo)了大量的(de)研究,這些(xie)研究從方(fang)法上講可(ke)分💘爲兩大(da)類,一類研(yan)究着眼☎️于(yu)對現有的(de)浮子流量(liang)傳感器通(tong)過實驗找(zhao)出其黏性(xing)修正曲線(xian);另一類♊着(zhe)重❗于盡可(ke)能消除黏(nian)性影響的(de)浮子傳🔆感(gan)器結構設(she)計。
　　由于利(li)用黏性修(xiu)正曲線消(xiao)除黏性影(ying)響隻能在(zai)被測黏度(du)爲常👅數或(huo)掌握其黏(nian)度變化規(gui)律的情況(kuang)下,才能對(dui)黏性影♊響(xiang)流量示值(zhi)進行修正(zheng)。而在對浮(fu)子傳感器(qi)結構優化(hua)方面:FisherK首先(xian)提出在标(biao)定中忽略(lue)黏♋性影響(xiang)的設計[5],此(ci)後Miller.R.w給出一(yi)系列特殊(shu)結構的浮(fu)子形狀，,指(zhi)出這✌️些浮(fu)子具有黏(nian)度不敏感(gan)上限值,在(zai)此👌黏度限(xian)制以下時(shi),不需要進(jin)行黏度校(xiao)正。但在他(ta)們🏒的工作(zuo)中并沒有(you)指出浮🧡子(zi)流量傳感(gan)器黏性不(bu)敏感的工(gong)作原理和(he)适應的黏(nian)度範圍。
　　本(ben)文試圖找(zhao)到能夠減(jian)小流體黏(nian)性對測量(liang)影響的浮(fu)子流量傳(chuan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻感器結構(gou),并分析總(zong)結減黏的(de)機理,爲優(you)化浮子📞結(jie)構💋提供理(li)論⭐基礎。由(you)于在工業(ye)中使用測(ce)量黏性溶(rong)液的浮子(zi)流量傳感(gan)器多🆚是耐(nai)高溫耐高(gao)壓的金屬(shu)浮子流量(liang)傳感器,所(suo)以用流⭐動(dong)顯示的實(shi)驗方法來(lai)研究浮子(zi)流量傳感(gan)器機理既(ji)不易觀察(cha)到浮子内(nei)部流場的(de)變化,也增(zeng)加了研發(fa)的費用。鑒(jian)于此,本文(wen)采用CFX軟件(jian)對測量黏(nian)性介質的(de)浮子流量(liang)傳感器内(nei)部流場✨進(jin)行了數值(zhi)模拟,通過(guo)對仿真結(jie)果的分析(xi),提出減小(xiao)黏性對浮(fu)子流量傳(chuan)感器影響(xiang)方法,并最(zui)終研制出(chu)受🤩黏度影(ying)響小的減(jian)黏浮子。
2浮(fu)子流量傳(chuan)感器的基(ji)本結構
　　浮(fu)子流量傳(chuan)感器基本(ben)結構如圖(tu)1所示,在垂(chui)直的錐形(xing)管中放置(zhi)一阻力件(jian)，也就是浮(fu)子。當流體(ti)自下而.上(shang)流過錐管(guan)時，由于浮(fu)子🍉的阻塞(sai)作用使其(qi)上下表面(mian)産.生了壓(ya)差,從而對(dui)浮子形成(cheng)一個向上(shang)的作用力(li),如果所測(ce)流體是💰黏(nian)性流體,還(hai)應該考慮(lü)浮子表面(mian)的黏性摩(mo)擦力。當升(sheng)力大于浮(fu)子本身的(de)重力時📞,浮(fu)子向上運(yun)動，此時浮(fu)子與錐🐇形(xing)管之間的(de)環通面積(ji)增大,流🧡速(su)減.低,浮子(zi)對流體阻(zu)力作用減(jian)小。當浮子(zi)受到的力(li)達到平衡(heng)時,浮子就(jiu)會停留在(zai)某一高度(du)
 
3計算流體(ti)力學方法(fa)的應用
　　本(ben)文計算中(zhong)使用的控(kong)制方程爲(wei)RANS方程,選用(yong)工程中常(chang)🙇🏻用的Standardk-ε模🏃‍♀️型(xing)作爲流場(chang)計算的湍(tuan)流模型。爲(wei)了簡便,以(yi)不可壓縮(suo)湍流流🌈動(dong)爲例寫出(chu)仿真使用(yong)的k-ε模型💋通(tong)用形🔴式的(de)流體控制(zhi)📐方程。在🌈直(zhi)角坐标系(xi)中,流動可(ke)由如下的(de)雷諾時均(jun)N-S方程.和連(lian)續性方程(cheng)來描述。
連(lian)續方程:
 
　　其(qi)中Ui爲平均(jun)速度，P爲平(ping)均壓力,ʋ和(he)ʋt,分别爲分(fen)子黏性系(xi)數和渦❄️黏(nian)性系數,對(dui)高Re數湍流(liu),渦黏性系(xi)數由下🌈式(shi)決定:
 
别爲(wei)湍動能産(chan)生項和平(ping)均應變率(lü)張量。
　　同時(shi)爲了能夠(gou)動态仿真(zhen)浮子流量(liang)傳感器的(de)測量原理(li),使浮子📐可(ke)以根據受(shou)力變化自(zi)動調整其(qi)在錐管中(zhong)的位置,本(ben)文根據牛(niu)頓第二定(ding)律,得到浮(fu)子上🔱下移(yi)動的控制(zhi)方程;
 
　　其中(zhong)F.爲浮子表(biao)面壓力差(cha),FV爲浮子所(suo)受到的黏(nian)性力,G爲浮(fu)子受到的(de)重力，m是浮(fu)子自身的(de)質量,△t爲計(ji)算叠代前(qian)後的✍️時間(jian)🐆差,△u計算叠(die)代前後的(de)速度差,計(ji)算中🏃🏻把相(xiang)對速度轉(zhuan)化爲相對(dui)位移📱來控(kong)制.浮子的(de)升降，直到(dao)被計算的(de)浮子所受(shou)到的合力(li)到達平衡(heng)。
4流場仿真(zhen)與機理分(fen)析
　　仿真過(guo)程中建立(li)了浮子流(liu)量傳感器(qi)結構模型(xing),如圖🚶‍♀️2所示(shi)。爲✔️了提高(gao)浮子流量(liang)傳感器入(ru)口仿真效(xiao)果,仿真☁️按(an)照尼古拉(la)茲圓管速(su)度剖面公(gong)式給出如(ru)圖3所示浮(fu)子流量㊙️傳(chuan)感器入口(kou)速💃度剖面(mian),圖中色标(biao)由冷色調(diao)變化到暖(nuan)色✍️調表示(shi)流體速度(du)由小到大(da),從僞色圖(tu)中可以看(kan)到從邊壁(bi)到中心的(de)速度是由(you)小到大非(fei)線性分布(bu)的。爲了清(qing)楚說明浮(fu)子流量傳(chuan)感器的仿(pang)真❌過程圖(tu)👅4給出測量(liang)黏性流體(ti)浮子流量(liang)傳感器仿(pang)真計算的(de).流程簡圖(tu)。
 
　　通過仿真(zhen),分别得到(dao)小流量和(he)大流量入(ru)口流量條(tiao)🏃‍♂️件♋下的傳(chuan)感器速度(du)剖面僞色(se)圖,如圖5、圖(tu)6所示。圖中(zhong)可以清楚(chu)看到傳感(gan)📧器中流體(ti)在浮子周(zhou)圍以及出(chu)入口的速(su)度分布。随(sui)着流量的(de)增加,浮子(zi)的位置上(shang)升,浮子與(yu)錐管之間(jian)環隙變大(da),流體在錐(zhui)管中的速(su)度分布也(ye)随之發生(sheng)明顯的變(bian)化,據此可(ke)以定性判(pan)斷出計算(suan)所得結果(guo)是合理的(de)。
 
　　爲了研究(jiu)流體黏性(xing)摩擦力對(dui)浮子表面(mian)受力的影(ying)響,仿真計(ji)算了浮子(zi)表面受到(dao)的沿流向(xiang)黏性摩擦(ca)力等值線(xian)圖,如❌圖7所(suo)示,圖🐪中可(ke)以清楚的(de)看到在浮(fu)子最大截(jie)面之💛前的(de)浮子表面(mian)有淺綠色(se)的黏性摩(mo)擦力色帶(dai)♉區,它說明(ming)浮子的前(qian)端受到了(le)較大沿流(liu)♍向的黏性(xing)力影響,而(er)在最大截(jie)面後部🌈的(de)浮子表面(mian)上出現了(le)深藍💚色的(de)黏性力色(se)帶,這說明(ming)此處浮子(zi)表面所受(shou)到的黏性(xing)摩擦力爲(wei)負值⛷️,即黏(nian)性力作用(yong)的🈲方向反(fan)向于流體(ti)流向,這種(zhong)現象在✉️一(yi)定程度上(shang)減小了黏(nian)🌍性流體黏(nian)性力對浮(fu)☂️子傳感器(qi)的影響。通(tong)過觀察流(liu)體在通過(guo)最大截面(mian)時的速度(du)🏃‍♂️矢量圖,如(ru)圖8所示,可(ke)以🈲發現渦(wo)旋作用是(shi)造成浮子(zi)在最大截(jie)🈲面後部出(chu)現負黏區(qu)的主要原(yuan)因。
 
　　根據邊(bian)界層理論(lun),由于黏性(xing)而使物面(mian)邊界産生(sheng)邊❓界層,當(dang)黏㊙️性流體(ti)流過浮子(zi)最大截面(mian)而後突然(ran)流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼動‘分離(li)”。這樣産生(sheng)的分離層(ceng)迅速形成(cheng)一個或多(duo)個渦,這樣(yang)的渦可以(yi)滞留在物(wu)體後部。也(ye)就是說,流(liu)體流經浮(fu)子與管壁(bi)之間的環(huan)隙時,環隙(xi)速度增大(da),流‼️體在截(jie)面内均勻(yun)分布,當截(jie)面沿流動(dong)方向突然(ran)增大的時(shi)候，由🔆于分(fen)離形成了(le)滯♈留在浮(fu)子最大截(jie)面💃後部的(de)渦✔️流區，從(cong)而形成💘逆(ni)流,使浮💞子(zi)整體表面(mian)所受㊙️到黏(nian)性摩擦力(li)在流動方(fang)向上減小(xiao),甚至與浮(fu)子上升方(fang)向相反,這(zhe)樣就❌部分(fen)抵消了黏(nian)性帶來的(de)影🔞響。根據(ju)以上分析(xi),本文提💃出(chu)利用流體(ti)邊界層提(ti)前分離産(chan)生的渦旋(xuan)區實現浮(fu)子減黏的(de)方案,其中(zhong)包括:最大(da)截面之前(qian)的浮子表(biao)面積越小(xiao),沿流向的(de)正黏性力(li)作用區域(yu)越小;迎流(liu)面的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻邊緣(yuan)越鋒利,分(fen)離點越靠(kao)前,分離造(zao)成的渦旋(xuan)效果越顯(xian)著;分離所(suo)産生渦旋(xuan)場中的浮(fu)子表面積(ji)越大,浮子(zi)受到負黏(nian)性摩擦力(li)越大。
　　根據(ju)仿真研究(jiu)得到的減(jian)黏規律,本(ben)文在原有(you)基本🏃浮子(zi)(DF_C型🔆)形狀的(de)基礎上研(yan)制了兩種(zhong)具有減黏(nian)特性的浮(fu)子:ACF型和DFL型(xing)浮子,如圖(tu)9所示。
 
　　圖10與(yu)圖11給出兩(liang)種減黏浮(fu)子在仿真(zhen)流場中的(de)速度矢💛量(liang)圖,圖中可(ke)以清楚看(kan)到減黏浮(fu)子所産生(sheng)的.強烈的(de)渦旋場。
　　在(zai)兩種新浮(fu)子結構中(zhong),ACF具有特别(bie)鋒利的邊(bian)緣和靠✍️前(qian)的分離點(dian),流體流過(guo)最大截面(mian)後,在浮子(zi)後部出✨現(xian)劇烈的✉️旋(xuan)渦🔞,故反向(xiang)于流向的(de)黏性應力(li)很顯著;而(er)DF_L雖然較ACF分(fen)離點靠後(hou),渦旋沒🏃🏻‍♂️有(you)ACF型的強烈(lie),但其處在(zai)渦流區的(de)浮子表面(mian)積要大于(yu)ACF,(DF_L爲圓柱,而(er)ACF爲圓台),所(suo)以其在渦(wo)流區所受(shou)的反向黏(nian)性摩擦力(li)也較大
5實(shi)驗驗證
　　爲(wei)了檢驗減(jian)黏浮子的(de)減黏效果(guo)，,本實驗測(ce)試了三種(zhong)♻️形狀浮🐉子(zi)所構成浮(fu)子流量傳(chuan)感器的減(jian)黏結果,浮(fu)子🌈形狀如(ru)圖9所示。實(shi)驗首先通(tong)過水溶液(ye)标定各個(ge)浮子🌈流量(liang)傳感器的(de)⛱️浮子流向(xiang)高度與流(liu)量的關系(xi),然後使用(yong)已标定好(hao)的浮子😍流(liu)量傳感🔴器(qi)測量黏🛀🏻度(du)等于的黏(nian)⭕性溶液,由(you)于黏性的(de)影響,浮子(zi)流量傳感(gan)器所測量(liang)黏性溶液(ye)的流量與(yu)真實流量(liang)有一定誤(wu)差,誤差越(yue)大說💃明浮(fu)子💃🏻流量傳(chuan)感器受到(dao)黏度影🏃響(xiang)越大,反之(zhi)，,說明浮🍉子(zi)流量傳感(gan)器有🧡減小(xiao)黏性影響(xiang)的特性。
　　實(shi)驗中不同(tong)浮子所構(gou)成的浮子(zi)流量傳感(gan)器分别對(dui)5種💯高⭐黏🈲度(du)甲基纖維(wei)素水溶液(ye)進行了測(ce)量,由于甲(jia)基纖維☀️素(su)的水溶液(ye)密度與水(shui)非常接近(jin)(常溫下爲(wei)1001kg/m³),故可認爲(wei)浮👨‍❤️‍👨子流量(liang)傳感器測(ce)量甲基纖(xian)維素水溶(rong)液體積流(liu)量無需密(mi)度修正。其(qi)中溶液黏(nian)度分别爲(wei)137mPa·s,495mPa·s,1215mPa·s,1692，mPa。
和1962mPa's。
　　經過物(wu)理實驗得(de)到不同類(lei)型浮子流(liu)量傳感器(qi)測量黏性(xing)溶液流量(liang)的測量誤(wu)差,如表1。
 
　　從(cong)表中可知(zhi),ACF型浮子與(yu)DF_L型浮子在(zai)測量最大(da)黏性溶液(ye)中測量誤(wu)差分别爲(wei)17.22%和13.87%;平均測(ce)量誤差分(fen)别爲11.27%和7.75%;遠(yuan)優🌐于普通(tong)DF_C型浮子的(de)最大測量(liang)誤差20.46%和平(ping)均誤差14.67%;如(ru)果測量黏(nian)度在495mPa·s範圍(wei)的黏性溶(rong)液，,兩種浮(fu)子的測量(liang)誤差可以(yi)控制在㊙️5%以(yi)下,對于DF_L型(xing)浮子，其測(ce)量誤差♊隻(zhi)有2.82%。以上實(shi)驗數據驗(yan)證了仿真(zhen)計算🐆所得(de)結論的🚩正(zheng)确性,即通(tong)過增加渦(wo)旋強度和(he)增加渦旋(xuan)區浮子✨面(mian)積對浮子(zi)流量傳感(gan)器的減黏(nian)作🌈用。
6小結(jie)
　　通過研究(jiu)可以得到(dao)以下結論(lun):
(1)利用CFD方法(fa)可以有效(xiao)的對測量(liang)黏性流體(ti)的浮子流(liu)量傳感器(qi)進💜行模拟(ni);在對流量(liang)傳感器的(de)機理進行(hang)定性㊙️研究(jiu)中,發現了(le)💜流體邊界(jie)層在最大(da)截面處分(fen)離所産生(sheng)的渦旋具(ju)有減黏效(xiao)果。
(2)讨論了(le)利用渦旋(xuan)場減小流(liu)體黏性影(ying)響的機理(li)與減黏❄️浮(fu)子結構特(te)征,并制造(zao)了兩種反(fan)映浮子減(jian)黏特征的(de)浮子流量(liang)傳🔆感器，通(tong)過物理實(shi)驗驗證了(le)減黏浮子(zi)具有減黏(nian)的特性,減(jian)黏浮子傳(chuan)感器在1-495mPa.s的(de)黏性範圍(wei)内✉️測量時(shi)，介質黏性(xing)所引起的(de)測🔴量誤差(cha)可🏃🏻控制在(zai)2.9%以内

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