摘要(yao):爲了減小(xiǎo)黏性流體(tǐ)對浮子流(liu)量傳感器(qi) 測量的影(yǐng)響,本文采(cǎi)用優化浮(fu)子結構的(de)方法來設(she)計黏性不(bú)敏感浮子(zǐ)傳感器,運(yùn)用計算流(liú)體力學(CFD)的(de)方法對測(cè)量黏性介(jiè)質的浮子(zǐ)流量傳感(gan)器進行了(le)數值仿真(zhen),在仿真分(fèn)析的基礎(chu)上，，發現流(liu)體在邊界(jie)層分離産(chǎn)生的渦旋(xuan)流場可以(yǐ)減小黏性(xing)對浮子流(liú)🌈量傳感器(qì)測量的影(yǐng)響,研究分(fen)析了利用(yong)渦旋場減(jiǎn)小流體黏(nián)性✏️影響的(de)機理與減(jiǎn)💜黏浮子結(jié)構的特征(zhēng);同時設計(jì)制造了利(lì)用渦🥰旋效(xiao)應實現減(jiǎn)黏的浮子(zi)流量傳感(gǎn)器,利用黏(nian)性物理實(shí)驗對減黏(nian)🥰浮子的減(jiǎn)黏效果進(jin)行了驗證(zheng),具有減黏(nián)效果的浮(fú)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(wù)🚶差可控制(zhi)在2.9%以内.
1概(gài)述
　　利用浮(fú)子流量傳(chuan)感器對流(liu)體的測量(liang)過程中,經(jing)常會涉及(jí)到對黏性(xing)流體的測(cè)量,當實際(ji)測量工作(zuo)介質的黏(nián)度與标定(dìng)介質的黏(nián)度不同時(shi),黏性就會(hui)影響流量(liang)測量的正(zhèng)确率。針對(dui)這個問題(ti),國内外許(xu)多💋學者作(zuò)了大量的(de)研究,這些(xiē)研究從方(fāng)法上講可(ke)分爲兩大(dà)類,一類研(yan)究着眼于(yú)對現有的(de)浮子流量(liang)傳感器通(tong)過實驗找(zhao)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(gan)器結構設(shè)計。
　　由于利(li)用黏性修(xiu)正曲線消(xiāo)除黏性影(ying)響隻能在(zai)被測💜黏度(du)爲常🈲數或(huò)掌握其黏(nian)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(zheng)。而在對浮(fú)子傳感器(qi)㊙️結構優化(huà)方面👄:FisherK首先(xian)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(zhǐ)出這些浮(fú)子具有黏(nián)度不敏感(gan)上限值,在(zài)此💋黏度限(xian)制以下💰時(shí),不需要進(jìn)行黏度校(xiào)正。但在他(ta)們的工作(zuò)中🧑🏽‍🤝‍🧑🏻并沒有(yǒu)指出浮子(zi)流量傳😍感(gan)器黏性不(bú)敏👨‍❤️‍👨感的工(gong)作原理和(he)适應的黏(nian)度範圍。
　　本(ben)文試圖找(zhǎo)到能夠減(jiǎn)小流體黏(nian)性對測量(liàng)影響的浮(fú)🏃‍♂️子流量傳(chuán)感器結構(gòu),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(ce)量黏性溶(rong)液☂️的浮子(zi)流量傳感(gan)器多是耐(nài)高溫耐高(gāo)壓的金屬(shǔ)浮子流量(liang)傳感器,所(suo)以用流⭕動(dòng)顯示的實(shi)驗方法來(lái)📞研究浮子(zǐ)流⭐量傳感(gǎn)器機🏃🏻理既(ji)不易觀察(chá)到浮子内(nèi)部流場的(de)變化,也增(zēng)加了研發(fa)的費用😘。鑒(jian)于此,本文(wén)采用CFX軟件(jiàn)對測量黏(nian)性介質的(de)浮子流量(liàng)傳感器内(nèi)部流場進(jìn)行了數值(zhi)模拟🍓,通過(guò)對仿真結(jie)果的分析(xī),提出減小(xiao)🏃🏻黏性對⭕浮(fu)子流量傳(chuán)感器影響(xiǎng)方法,并最(zuì)終研制出(chū)受黏度影(ying)響小的減(jian)黏浮子。
2浮(fú)子流量傳(chuan)感器的基(ji)本結構
　　浮(fú)子流量傳(chuan)感器基本(běn)結構如圖(tú)1所示,在垂(chui)直的錐形(xing)管中放置(zhi)一阻力件(jiàn)，也就是浮(fu)子。當流體(tǐ)自下而.上(shang)流過錐管(guan)時，由于💜浮(fu)子‼️的阻塞(sāi)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(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(shēng)力大于浮(fu)子本身的(de)重力時,浮(fu)子向上運(yun)動，此時浮(fú)子與錐形(xing)管之間的(de)環通面積(jī)增大,流速(sù)減.低,浮子(zǐ)對流體阻(zǔ)力作用減(jian)小。當浮子(zi)受到的力(li)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(tǐ)力學方法(fǎ)的應用
　　本(ben)文計算中(zhōng)使用的控(kong)制方程爲(wèi)RANS方程,選用(yòng)工程中❄️常(cháng)用的Standardk-ε模型(xíng)作爲流場(chang)計算的湍(tuān)流模型。爲(wei)了簡便,以(yi)不可壓縮(suo)湍流流動(dong)爲例寫出(chū)仿真使用(yong)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(kě)由如下的(de)雷諾時均(jun1)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(jun1)速度，P爲平(ping)均壓力,ʋ和(he)ʋt,分别爲分(fèn)子黏性系(xi)數和渦💃黏(nián)性系數,對(dui)高Re數湍流(liú),渦黏性系(xì)數由下式(shì)決定:
 
别爲(wèi)湍動能産(chan)生項和平(ping)均應變率(lü)張量。
　　同時(shí)爲了能夠(gou)動态仿真(zhen)浮子流量(liàng)傳感器的(de)測量原理(lǐ)🔞,使⭐浮子⭐可(ke)以根據受(shòu)力變化自(zì)動調整其(qí)在錐管中(zhong)的位置,本(ben)🏃‍♂️文根據牛(niú)頓第二定(ding)律,得到浮(fu)子上下移(yi)動⛹🏻‍♀️的控制(zhì)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(jì)算叠代前(qián)👅後的時間(jian)差,△u計算叠(dié)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(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(li)到達平衡(heng)。
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(xíng),如圖2所示(shì)。爲了🌈提高(gāo)浮子流量(liang)傳感器入(ru)口仿真效(xiào)果,仿真按(an)照尼古拉(la)茲圓管速(sù)度剖面公(gōng)式給出如(rú)圖3所示浮(fu)子流量🆚傳(chuán)感器入口(kǒu)速度剖面(mian),圖中色标(biāo)由😄冷色調(diao)變㊙️化到暖(nuan)色調表示(shi)流❄️體速度(du)由👉小到大(dà),從僞色圖(tú)中可以看(kàn)到從邊🍉壁(bi)到中心的(de)速度是由(yóu)小到大非(fēi)線性分布(bu)的。爲了清(qīng)楚❓說明浮(fu)子流量傳(chuán)感器的仿(páng)真過程圖(tú)4給出測量(liang)黏性流體(ti)浮子流量(liang)傳感器仿(páng)真計算的(de).流程簡圖(tú)。
 
　　通過仿真(zhen),分别得到(dao)小流量和(hé)大流量入(ru)口流量條(tiao)💰件下的傳(chuán)感器速度(du)剖面僞色(sè)圖,如圖5、圖(tú)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(zhōu)圍以及出(chū)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(yu)錐管之間(jian)環隙變大(dà),流體在錐(zhuī)管中的速(su)🌈度分布也(ye)随之發生(shēng)明顯⭕的變(bian)化,據此可(kě)以定性判(pan)斷出計算(suan)所得結果(guǒ)是合理的(de)。
 
　　爲了研究(jiū)流體黏性(xing)摩擦力對(dui)浮子表面(miàn)受力的影(yǐng)響,仿❗真❤️計(jì)算了浮子(zǐ)表面受到(dao)的沿流向(xiang)黏性摩擦(cā)力等值線(xiàn)圖,如圖7所(suo)示,圖中可(kě)以清楚的(de)看到在浮(fú)子最大截(jié)面之前的(de)浮子表面(miàn)有淺綠色(se)的黏性摩(mo)📱擦力色帶(dai)區,它說明(ming)浮子的前(qián)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(ming)此處浮子(zi)🆚表面所受(shòu)到的黏性(xìng)摩擦力爲(wei)負值❗,即黏(nián)性力作用(yòng)的方向反(fan)向于流體(tǐ)流向,這種(zhong)現象在一(yi)定程度上(shàng)減小了黏(nian)性流體黏(nian)性💜力對浮(fu)子傳感器(qì)的影響。通(tōng)🆚過觀察流(liú)體在通過(guò)最大截面(miàn)時的速度(dù)矢量圖,如(ru)圖8所示,可(kě)以發現渦(wō)旋作☔用是(shì)造成浮子(zi)在最大截(jie)面後部出(chu)現負黏區(qū)的主要原(yuán)因。
 
　　根據邊(bian)界層理論(lùn),由于黏性(xìng)而使物面(miàn)邊界産生(shēng)邊☎️界層,當(dang)黏性流體(ti)流過浮子(zi)最大截面(miàn)而後突然(rán)流🈲動‘分❓離(li)”。這樣産生(sheng)的分離層(céng)迅速形成(chéng)一個或多(duo)個渦,這樣(yàng)的渦可以(yi)滞留在物(wu)體後部。也(ye)🙇🏻就是說,流(liú)體😘流經浮(fú)子與管壁(bi)之間的環(huán)隙時,環隙(xi)速度增大(da),流👉體在截(jié)面内均勻(yún)分布,當截(jie)面沿流動(dong)方向突然(ran)增🚩大的時(shi)候，由于分(fèn)離形成了(le)滯留在浮(fú)子最大截(jie)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(nián)性摩擦力(li)在流動方(fāng)向上減小(xiao),甚至與浮(fu)子上升方(fāng)向相反,這(zhe)樣就部分(fèn)抵消了黏(nián)性帶來的(de)影♋響。根據(ju)以上分析(xī),本文提🌍出(chu)利用流體(tǐ)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(zhōng)包㊙️括:最大(dà)截面之前(qián)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(yuán)👣越鋒利,分(fèn)離☀️點越靠(kao)前,分離🈲造(zào)成的渦旋(xuán)效果越顯(xiǎn)著;分離所(suǒ)産生渦旋(xuan)場中的浮(fú)子表面積(jī)越大,浮子(zǐ)受到負黏(nián)性✊摩擦力(li)越大💁。
　　根據(ju)仿真研究(jiū)得到的減(jian)黏規律,本(běn)文在原有(you)基本🎯浮子(zǐ)(DF_C型)形狀⛹🏻‍♀️的(de)基礎上研(yan)制了兩種(zhong)具有減黏(nián)特性的浮(fu)㊙️子:ACF型和DFL型(xing)浮子,如圖(tú)9所示。
 
　　圖10與(yǔ)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(liàng)圖,圖中可(kě)以清楚看(kan)到減黏浮(fú)子所産生(sheng)的.強烈的(de)☂️渦旋場。
　　在(zài)兩種新浮(fu)子結構中(zhōng),ACF具有特别(bié)鋒利的邊(bian)緣和靠前(qián)📐的分✨離點(diǎn),流體流過(guo)最大截面(miàn)後,在浮子(zǐ)後部出現(xiàn)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(fèn)離🈲點靠後(hou),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(miàn)積要大于(yu)ACF,(DF_L爲圓柱,而(er)ACF爲圓台✨),所(suǒ)以其在渦(wō)流區所受(shou)的反向黏(nián)性摩擦力(li)也較大💛
5實(shí)驗驗證
　　爲(wei)了檢驗減(jiǎn)黏浮子的(de)減黏效果(guǒ)，,本實驗測(cè)試了三種(zhong)形⛱️狀浮子(zǐ)🧡所構成浮(fu)子流量傳(chuán)感器的減(jiǎn)黏結果,浮(fú)子形狀如(rú)圖9所示。實(shí)驗首先通(tong)過水溶液(ye)标定各個(gè)浮子流量(liang)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(hǎo)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(yǔ)真實流量(liang)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(zǐ)流量傳感(gǎn)器有減小(xiao)黏性影響(xiǎng)的特性。
　　實(shi)驗中不同(tóng)浮子所構(gou)成的浮子(zǐ)流量傳感(gǎn)器分别💚對(dui)5種高黏度(du)甲基纖維(wéi)素水溶液(ye)進行了測(ce)量,由于甲(jiǎ)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(wèi)浮子流量(liang)傳感器測(ce)量甲基纖(xiān)維素水溶(rong)液體積流(liu)量無需密(mì)度修正。其(qí)中溶液🌍黏(nian)度分别爲(wei)137mPa·s,495mPa·s,1215mPa·s,1692，mPa。
和1962mPa's。
　　經過物(wù)理實驗得(dé)到不同類(lèi)型浮子流(liu)量傳感器(qi)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(zhi),ACF型浮子與(yu)DF_L型浮子在(zai)測量最大(dà)黏性溶液(yè)中測量💁誤(wu)差分别爲(wèi)17.22%和13.87%;平均測(ce)量誤差分(fen)别爲12.17%和7.75%;遠(yuan)優于普通(tōng)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(nian)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(xing)浮子，其測(ce)量誤差隻(zhi)有2.82%。以上實(shí)驗數據驗(yàn)證了仿真(zhen)計算所得(de)結論的正(zhèng)确性,即通(tong)過增加渦(wo)旋強度和(he)增加渦旋(xuán)區浮子面(mian)積對浮子(zǐ)流量傳感(gan)器的減黏(nian)作用。
6小結(jié)
　　通過研究(jiu)可以得到(dao)以下結論(lùn):
(1)利用CFD方法(fǎ)可以有效(xiao)的對測量(liàng)黏性流體(ti)的浮子流(liú)💰量傳感⁉️器(qi)進㊙️行模拟(nǐ);在對流量(liàng)傳感器的(de)機理進行(háng)定性研究(jiu)🈲中,發現了(le)流體邊界(jie)層在最大(dà)截面處分(fèn)♍離所産生(sheng)的渦旋具(ju)有✉️減黏效(xiào)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(jiǎn)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(zǐ)具有減黏(nián)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(chà)可控制在(zài)2.9%以内

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