摘要(yào):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(fú)子結構的(de)方法來設(she)計黏性不(bu)敏感浮子(zǐ)傳感器,運(yun)用計算流(liú)體力學(CFD)的(de)🛀🏻方法💞對測(ce)⛹🏻‍♀️量黏性介(jiè)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(chǔ)🏃上，，發現流(liú)體在邊界(jie)層分離産(chǎn)生的渦旋(xuán)💁流場可以(yi)減小黏性(xing)對浮子流(liu)量傳感器(qì)測量的影(yǐng)響,研究分(fèn)析了利用(yong)渦旋場減(jian)💃🏻小流體黏(nian)性🏃影響的(de)機理與減(jiǎn)黏浮子結(jie)構的特征(zheng)🎯;同時設計(jì)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(jiǎn)黏效果進(jin)行了驗證(zhèng),具有減黏(nián)效果的浮(fú)子流量傳(chuán)感器在1-495mPa.s的(de)黏性範圍(wéi)内,介質黏(nian)性所引起(qǐ)的測量誤(wu)差可控制(zhì)在2.9%以内.
1概(gai)述
　　利用浮(fu)子流量傳(chuán)感器對流(liú)體的測量(liang)過程中,經(jīng)常會涉及(jí)到對黏性(xìng)流體的測(ce)量,當實際(ji)測量工作(zuo)介質的黏(nián)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(duì)這個問題(tí),國内外許(xǔ)多學者作(zuo)了大量的(de)研究,這些(xie)研究從方(fang)法上講可(kě)分🍉爲兩大(da)類,一類研(yán)究着眼于(yú)對現有的(de)浮子流量(liang)傳感器通(tong)過實⭕驗找(zhǎo)出其黏性(xìng)修正曲線(xian);另一類着(zhe)重🔞于盡可(kě)能消除黏(nián)性影響的(de)浮子傳感(gǎn)器結構設(she)計。
　　由于利(lì)用黏性修(xiū)正曲線消(xiāo)除黏性影(ying)響隻能在(zài)被測🈲黏度(du)爲常👨‍❤️‍👨數或(huò)掌握其黏(nián)度變化規(gui)律的情況(kuàng)下,才能對(duì)黏性影響(xiǎng)流🔅量示值(zhí)進行修正(zhèng)。而在對浮(fu)子☂️傳感器(qì)結構優化(hua)方面:FisherK首先(xiān)提出在标(biāo)定中忽略(luè)黏性影響(xiang)的設計[5],此(cǐ)後Miller.R.w給出一(yi)系列特殊(shū)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(jìn)行黏度校(xiào)正。但在💞他(tā)們的工作(zuò)中并沒有(yǒu)指出浮子(zǐ)流量傳感(gǎn)器黏性不(bu)敏☀️感的工(gōng)作原理和(hé)适應的黏(nian)度範圍。
　　本(běn)文試圖找(zhǎo)到能夠減(jiǎn)小流體黏(nián)性對測量(liàng)影響的浮(fú)子流💯量傳(chuán)感器結構(gou),并分析總(zong)結減黏的(de)機理,爲優(you)化浮子結(jié)構提供理(li)論基礎。由(yóu)于在工業(yè)中使用測(cè)量黏性溶(róng)液💃的浮子(zǐ)流量傳感(gan)器多💞是耐(nài)高溫耐👌高(gāo)壓的金屬(shu)浮子流量(liang)傳感器🈲,所(suo)以用流動(dong)顯示的🔞實(shí)驗方法來(lai)🤩研究浮子(zi)流🌐量傳感(gǎn)器機理既(jì)不易觀察(chá)到浮子内(nei)部🤞流場的(de)變化,也增(zeng)加了研發(fā)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(nèi)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(jiǎn)黏浮子。
2浮(fú)子流量傳(chuán)感器的基(ji)本結構
　　浮(fu)子流量傳(chuan)感器基本(běn)結構如圖(tú)1所示,在垂(chuí)直的錐形(xíng)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(fú)子的阻塞(sai)作用使其(qi)上下表面(mian)産.生了壓(yā)差,從而對(duì)浮子形成(chéng)一個💁向上(shang)的作用力(lì),如果所測(ce)流體是黏(nián)性流體,還(hai)應該考慮(lǜ)浮子表面(mian)的黏性摩(mó)擦力。當升(sheng)力🔴大于浮(fú)子本身的(de)重力時,浮(fú)子向上運(yun)動，此時浮(fú)子與錐形(xing)管之間的(de)環通面積(ji)增大,流速(sù)減.低,浮子(zǐ)對流體阻(zǔ)力作用減(jiǎn)小。當浮子(zǐ)受到的力(lì)達到平衡(héng)時,浮子就(jiù)會停留在(zai)某一高度(dù)
 
3計算流體(ti)力學方法(fa)的應用
　　本(běn)文計算中(zhōng)使用的控(kòng)制方程爲(wei)RANS方程,選用(yòng)工程中常(cháng)用的Standardk-ε模型(xíng)作爲流場(chǎng)計算的湍(tuan)流模型。爲(wèi)了簡便,以(yǐ)不可壓縮(suo)湍流流動(dong)爲例寫出(chu)仿真使用(yòng)的k-ε模型通(tong)用形🧡式的(de)流㊙️體控制(zhì)方程。在直(zhi)角坐标系(xì)中,流動🌏可(ke)由如下的(de)雷諾時🈲均(jun)N-S方程.和連(lián)續性方程(chéng)來描述。
連(lián)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(nián)性系數,對(dui)高Re數湍流(liu),渦黏性系(xì)數由下式(shi)決定:
 
别爲(wèi)湍動能産(chǎn)生項和平(ping)均應變率(lǜ)張量。
　　同時(shí)爲了能夠(gòu)動态仿真(zhen)浮子流量(liang)傳感器的(de)測量原理(li),使🈲浮子可(kě)以根據受(shou)力變化自(zì)動調整其(qi)在錐管中(zhong)的位置,本(běn)文根據牛(niu)頓第二定(ding)律,得到浮(fú)子上下移(yí)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(nián)性力,G爲💔浮(fú)💋子受到的(de)重力，m是浮(fu)子自身的(de)質量,△t爲計(jì)算叠代前(qian)🌍後的時間(jiān)差,△u計算叠(die)代前後的(de)速度差,計(jì)算中🛀把相(xiàng)對速度轉(zhuan)化爲相對(dui)位移🌏來控(kòng)制.浮子的(de)升降，直到(dào)被計算的(de)浮子🎯所受(shòu)到的合力(lì)到達平衡(héng)。
4流場仿真(zhen)與機理分(fèn)析
　　仿真過(guo)程中建立(lì)了浮子流(liu)量傳感器(qì)結構模型(xing),如圖2所示(shì)。爲了提高(gao)浮子流量(liàng)傳感器入(rù)口仿真效(xiao)果🈲,仿真💯按(an)照尼古拉(la)茲圓管速(sù)度剖面公(gōng)式給出如(ru)圖3所示浮(fu)❌子流量傳(chuan)感器入口(kǒu)速✨度剖面(mian),圖中色标(biao)由👉冷色調(diao)變化到暖(nuǎn)色⛱️調表示(shì)流體速度(du)由小到大(dà),從🌈僞色圖(tú)中可🐆以看(kan)到從邊壁(bi)到中心的(de)速度是由(yóu)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(páng)真過程圖(tú)4給出測量(liàng)黏性流體(tǐ)浮子流量(liang)傳🏒感📱器仿(pang)真計算的(de).流🌈程簡圖(tu)。
 
　　通過仿真(zhēn),分别得到(dào)小流量和(hé)大流量入(rù)口流量條(tiáo)件下的傳(chuan)感器速度(dù)剖面僞色(sè)圖,如圖5、圖(tu)6所示。圖中(zhōng)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(sù)度分布。随(suí)着流量的(de)增加,浮子(zi)的位置上(shang)升,浮子與(yǔ)錐管之間(jian)環隙變大(da)🏃🏻,流體在錐(zhui)管中的速(sù)度分布也(yě)随🔞之發生(sheng)明顯的變(biàn)化,據此可(kě)以定性判(pàn)斷出計算(suàn)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(miàn)受力的影(yǐng)💁響,仿🈲真計(ji)算了浮子(zǐ)表面受到(dào)的沿流向(xiang)黏性摩擦(cā)力等值線(xian)圖,如圖7所(suǒ)示,圖中可(kě)以清楚的(de)看到在浮(fu)子最大截(jie)面之前的(de)浮子表面(miàn)有淺綠⛹🏻‍♀️色(se)的黏性摩(mó)擦力色帶(dai)區,它說明(míng)浮子的前(qian)端受到了(le)較大沿流(liu)向的黏性(xing)力影響,而(ér)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(sè)帶,這說明(míng)此處浮子(zi)表面所受(shòu)⛱️到的黏性(xing)摩擦力爲(wei)負值,即黏(nian)性力作用(yong)的方向反(fǎn)向于流體(tǐ)流向,這種(zhǒng)現象在🏒一(yi)😄定程度上(shàng)減小了黏(nian)✌️性流體黏(nian)性🐆力對浮(fú)子傳感器(qì)的影響。通(tong)⛱️過觀察流(liú)體在通過(guo)最大截面(miàn)時的速度(dù)矢量圖,如(rú)圖8所示,可(kě)以發現渦(wo)旋作用是(shi)造成浮子(zi)在最大截(jie)🔞面後🈲部出(chū)現負黏區(qū)的主要原(yuán)因。
 
　　根據邊(bian)界層理論(lun),由于黏性(xing)而使物面(mian)邊界産生(shēng)邊界層,當(dāng)🈚黏性流體(ti)流過浮子(zǐ)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(chéng)一個或多(duō)個渦,這樣(yang)的渦可以(yi)滞留在物(wù)體後部。也(ye)就是說,流(liú)體流經浮(fú)子👈與管壁(bì)之間的環(huan)隙🛀時,環隙(xì)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(rán)增💃🏻大的時(shi)候，由于⛷️分(fen)離形成了(le)滯留在浮(fú)子最大🐪截(jié)面後部的(de)渦流區，從(cóng)而形成逆(ni)流,使浮子(zi)整體表面(miàn)所受到黏(nian)性摩擦力(lì)在流動方(fang)向上減小(xiǎo),甚至與浮(fú)子♈上升方(fāng)向相反,這(zhe)樣就部分(fèn)抵消了黏(nian)性帶來的(de)影響。根據(ju)以上分析(xī),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(fú)子減黏的(de)方案,其中(zhong)包括:最大(da)截面之前(qián)的浮子表(biǎo)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(yuán)越鋒利,分(fen)離🔱點越靠(kao)前,分離造(zao)成的渦旋(xuán)效果越顯(xian)著;分離所(suǒ)❌産生渦旋(xuan)場中的浮(fu)子表面積(ji)越大,浮子(zǐ)受到負黏(nián)性🎯摩擦力(li)越大。
　　根據(ju)仿真研究(jiu)得到的減(jiǎn)黏規律,本(běn)文在原有(you)基本浮子(zi)(DF_C型)形狀的(de)基礎上研(yán)制了兩種(zhong)具有減黏(nian)特性的浮(fú)子:ACF型和DFL型(xíng)浮子,如圖(tu)9所示。
 
　　圖10與(yu)圖11給出兩(liǎng)種減黏浮(fú)子在仿真(zhen)流場中的(de)速度矢量(liàng)圖,圖中可(kě)以清楚看(kan)到減黏浮(fu)子所産生(shēng)的.強烈的(de)渦旋場。
　　在(zài)兩種新浮(fu)子結構中(zhong),ACF具有特别(bie)鋒利的邊(biān)緣和靠前(qian)✉️的分離點(diǎn)👅,流體流過(guò)最大截面(miàn)後,在浮子(zǐ)後部出現(xiàn)劇烈的📧旋(xuan)渦,故反㊙️向(xiàng)于🥵流向的(de)黏性應力(li)很顯著;而(ér)DF_L雖然較ACF分(fèn)離點靠後(hòu),渦旋沒有(yǒu)ACF型的強烈(liè),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(ér)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(lì)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(zhǒng)形狀浮📞子(zi)所構成浮(fú)子流量傳(chuán)感器的減(jian)黏結果,浮(fu)子形狀如(rú)圖9所示。實(shi)驗首先通(tōng)過水溶液(yè)标定各個(gè)浮子流量(liàng)傳感器的(de)浮子流向(xiàng)高度📐與流(liú)量的關系(xì),然後使用(yong)已标定好(hao)的浮子流(liu)量傳感❗器(qi)測量黏✏️度(dù)等于的黏(nian)性溶液,由(you)于黏性的(de)影響,浮子(zǐ)流量傳感(gan)器所測量(liang)黏性溶液(ye)的流量與(yu)真實流量(liàng)有一定🌈誤(wu)差,誤差越(yuè)大說明浮(fú)子流量傳(chuan)感器受到(dào)黏度影響(xiang)越大,反之(zhi)，,說明浮🥰子(zi)流量傳感(gǎn)器有減小(xiao)黏性影💃🏻響(xiǎng)的特性🤟。
　　實(shí)驗中不同(tong)浮子所構(gou)成的浮子(zi)流量傳感(gan)器分别對(duì)5種高黏度(dù)甲基纖維(wéi)素水溶液(ye)進行了測(ce)量,由于甲(jiǎ)基纖維素(sù)的水溶液(yè)密度與水(shui)非常接近(jin)(常溫下爲(wei)1001kg/m³),故可認爲(wèi)浮❌子流量(liang)傳感器測(ce)量甲基纖(xian)維素水溶(róng)液體積流(liú)量無需✉️密(mì)度修正👌。其(qi)中溶液黏(nian)度分别爲(wèi)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(qì)測量黏性(xing)溶液流量(liàng)的測量誤(wu)差,如表1。
 
　　從(cóng)表中可知(zhī),ACF型浮子與(yu)DF_L型浮子在(zài)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(cè)量誤差分(fèn)别爲12.15%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(píng)均誤差14.67%;如(rú)果測⭕量黏(nián)度在495mPa·s範圍(wei)的黏性溶(rong)液，,兩種浮(fú)子的測量(liàng)誤差可以(yi)控制在5%以(yi)下,對于DF_L型(xíng)浮子，其測(ce)量誤差隻(zhi)有2.82%。以上實(shi)驗數據驗(yàn)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(nián)作用。
6小結(jie)
　　通過研究(jiū)可以得到(dào)以下結論(lùn):
(1)利用CFD方法(fǎ)可以有效(xiào)的對測量(liang)黏性流體(tǐ)的浮子流(liú)量傳✔️感器(qì)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(fèn)離所産生(sheng)的渦💚旋具(jù)有減黏效(xiao)果。
(2)讨論了(le)利用渦旋(xuán)場減小流(liú)體黏性影(ying)響的機理(lǐ)與減黏浮(fú)子結構特(tè)征,并制造(zao)了兩種反(fǎn)映浮子減(jiǎn)黏特征的(de)浮子流量(liang)傳感器，通(tōng)過物理實(shí)驗驗證了(le)減黏浮子(zǐ)具有減黏(nián)的特性,減(jiǎn)黏浮子傳(chuán)感器在1-495mPa.s的(de)黏性範圍(wéi)内測量時(shi)，介質黏性(xìng)所🐅引起的(de)測💔量誤差(cha)可控制在(zài)2.9%以内

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