摘要:為了減小黏性流體對(duì)浮子流量傳感器測(cè)量的影響,本文采用優(yōu)化浮子結(jié)構(gòu)的方法來設(shè)計(jì)黏性不敏感浮子傳感器,運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)測(cè)量黏性介質(zhì)的浮子流量傳感器進(jìn)行了數(shù)值仿真,在仿真分析的基礎(chǔ)上，，發(fā)現(xiàn)流體在邊界層分離產(chǎn)生的渦旋流場(chǎng)可以減小黏性對(duì)浮子流量傳感器測(cè)量的影響,研究分析了利用渦旋場(chǎng)減小流體黏性影響的機(jī)理與減黏浮子結(jié)構(gòu)的特征;同時(shí)設(shè)計(jì)制造了利用渦旋效應(yīng)實(shí)現(xiàn)減黏的浮子流量傳感器,利用黏性物理實(shí)驗(yàn)對(duì)減黏浮子的減黏效果進(jìn)行了驗(yàn)證,具有減黏效果的浮子流量傳感器在1-495mPa.s的黏性范圍內(nèi),介質(zhì)黏性所引起的測(cè)量誤差可控制在2.9%以內(nèi).
1概述
利用浮子流量傳感器對(duì)流體的測(cè)量過程中,經(jīng)常會(huì)涉及到對(duì)黏性流體的測(cè)量,當(dāng)實(shí)際測(cè)量工作介質(zhì)的黏度與標(biāo)定介質(zhì)的黏度不同時(shí),黏性就會(huì)影響流量測(cè)量的正確率。針對(duì)這個(gè)問題,國內(nèi)外許多學(xué)者作了大量的研究,這些研究從方法上講可分為兩大類,一類研究著眼于對(duì)現(xiàn)有的浮子流量傳感器通過實(shí)驗(yàn)找出其黏性修正曲線;另一類著重于盡可能消除黏性影響的浮子傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
由于利用黏性修正曲線消除黏性影響只能在被測(cè)黏度為常數(shù)或掌握其黏度變化規(guī)律的情況下,才能對(duì)黏性影響流量示值進(jìn)行修正。而在對(duì)浮子傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面:FisherK首先提出在標(biāo)定中忽略黏性影響的設(shè)計(jì)[5],此后Miller.R.w給出一系列特殊結(jié)構(gòu)的浮子形狀，,指出這些浮子具有黏度不敏感上限值,在此黏度限制以下時(shí),不需要進(jìn)行黏度校正。但在他們的工作中并沒有指出浮子流量傳感器黏性不敏感的工作原理和適應(yīng)的黏度范圍。
本文試圖找到能夠減小流體黏性對(duì)測(cè)量影響的浮子流量傳感器結(jié)構(gòu),并分析總結(jié)減黏的機(jī)理,為優(yōu)化浮子結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)。由于在工業(yè)中使用測(cè)量黏性溶液的浮子流量傳感器多是耐高溫耐高壓的金屬浮子流量傳感器,所以用流動(dòng)顯示的實(shí)驗(yàn)方法來研究浮子流量傳感器機(jī)理既不易觀察到浮子內(nèi)部流場(chǎng)的變化,也增加了研發(fā)的費(fèi)用。鑒于此,本文采用CFX軟件對(duì)測(cè)量黏性介質(zhì)的浮子流量傳感器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過對(duì)仿真結(jié)果的分析,提出減小黏性對(duì)浮子流量傳感器影響方法,并最終研制出受黏度影響小的減黏浮子。
2浮子流量傳感器的基本結(jié)構(gòu)
浮子流量傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,在垂直的錐形管中放置一阻力件，也就是浮子。當(dāng)流體自下而.上流過錐管時(shí)，由于浮子的阻塞作用使其上下表面產(chǎn).生了壓差,從而對(duì)浮子形成一個(gè)向上的作用力,如果所測(cè)流體是黏性流體,還應(yīng)該考慮浮子表面的黏性摩擦力。當(dāng)升力大于浮子本身的重力時(shí),浮子向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)浮子與錐形管之間的環(huán)通面積增大,流速減.低,浮子對(duì)流體阻力作用減小。當(dāng)浮子受到的力達(dá)到平衡時(shí),浮子就會(huì)停留在某一高度
3計(jì)算流體力學(xué)方法的應(yīng)用
本文計(jì)算中使用的控制方程為RANS方程,選用工程中常用的Standardk-ε模型作為流場(chǎng)計(jì)算的湍流模型。為了簡(jiǎn)便,以不可壓縮湍流流動(dòng)為例寫出仿真使用的k-ε模型通用形式的流體控制方程。在直角坐標(biāo)系中,流動(dòng)可由如下的雷諾時(shí)均N-S方程.和連續(xù)性方程來描述。
連續(xù)方程:
其中Ui為平均速度，P為平均壓力,ʋ和ʋt,分別為分子黏性系數(shù)和渦黏性系數(shù),對(duì)高Re數(shù)湍流,渦黏性系數(shù)由下式?jīng)Q定:
別為湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)和平均應(yīng)變率張量。
同時(shí)為了能夠動(dòng)態(tài)仿真浮子流量傳感器的測(cè)量原理,使浮子可以根據(jù)受力變化自動(dòng)調(diào)整其在錐管中的位置,本文根據(jù)牛頓第二定律,得到浮子上下移動(dòng)的控制方程;
其中F.為浮子表面壓力差,FV為浮子所受到的黏性力,G為浮子受到的重力，m是浮子自身的質(zhì)量,△t為計(jì)算迭代前后的時(shí)間差,△u計(jì)算迭代前后的速度差,計(jì)算中把相對(duì)速度轉(zhuǎn)化為相對(duì)位移來控制.浮子的升降，直到被計(jì)算的浮子所受到的合力到達(dá)平衡。
4流場(chǎng)仿真與機(jī)理分析
仿真過程中建立了浮子流量傳感器結(jié)構(gòu)模型,如圖2所示。為了提高浮子流量傳感器入口仿真效果,仿真按照尼古拉茲圓管速度剖面公式給出如圖3所示浮子流量傳感器入口速度剖面,圖中色標(biāo)由冷色調(diào)變化到暖色調(diào)表示流體速度由小到大,從偽色圖中可以看到從邊壁到中心的速度是由小到大非線性分布的。為了清楚說明浮子流量傳感器的仿真過程圖4給出測(cè)量黏性流體浮子流量傳感器仿真計(jì)算的.流程簡(jiǎn)圖。
通過仿真,分別得到小流量和大流量入口流量條件下的傳感器速度剖面?zhèn)紊珗D,如圖5、圖6所示。圖中可以清楚看到傳感器中流體在浮子周圍以及出入口的速度分布。隨著流量的增加,浮子的位置上升,浮子與錐管之間環(huán)隙變大,流體在錐管中的速度分布也隨之發(fā)生明顯的變化,據(jù)此可以定性判斷出計(jì)算所得結(jié)果是合理的。
為了研究流體黏性摩擦力對(duì)浮子表面受力的影響,仿真計(jì)算了浮子表面受到的沿流向黏性摩擦力等值線圖,如圖7所示,圖中可以清楚的看到在浮子最大截面之前的浮子表面有淺綠色的黏性摩擦力色帶區(qū),它說明浮子的前端受到了較大沿流向的黏性力影響,而在最大截面后部的浮子表面上出現(xiàn)了深藍(lán)色的黏性力色帶,這說明此處浮子表面所受到的黏性摩擦力為負(fù)值,即黏性力作用的方向反向于流體流向,這種現(xiàn)象在一定程度上減小了黏性流體黏性力對(duì)浮子傳感器的影響。通過觀察流體在通過最大截面時(shí)的速度矢量圖,如圖8所示,可以發(fā)現(xiàn)渦旋作用是造成浮子在最大截面后部出現(xiàn)負(fù)黏區(qū)的主要原因。
根據(jù)邊界層理論,由于黏性而使物面邊界產(chǎn)生邊界層,當(dāng)黏性流體流過浮子最大截面而后突然流動(dòng)‘分離”。這樣產(chǎn)生的分離層迅速形成一個(gè)或多個(gè)渦,這樣的渦可以滯留在物體后部。也就是說,流體流經(jīng)浮子與管壁之間的環(huán)隙時(shí),環(huán)隙速度增大,流體在截面內(nèi)均勻分布,當(dāng)截面沿流動(dòng)方向突然增大的時(shí)候，由于分離形成了滯留在浮子最大截面后部的渦流區(qū)，從而形成逆流,使浮子整體表面所受到黏性摩擦力在流動(dòng)方向上減小,甚至與浮子上升方向相反,這樣就部分抵消了黏性帶來的影響。根據(jù)以上分析,本文提出利用流體邊界層提前分離產(chǎn)生的渦旋區(qū)實(shí)現(xiàn)浮子減黏的方案,其中包括:最大截面之前的浮子表面積越小,沿流向的正黏性力作用區(qū)域越小;迎流面的邊緣越鋒利,分離點(diǎn)越靠前,分離造成的渦旋效果越顯著;分離所產(chǎn)生渦旋場(chǎng)中的浮子表面積越大,浮子受到負(fù)黏性摩擦力越大。
根據(jù)仿真研究得到的減黏規(guī)律,本文在原有基本浮子(DF_C型)形狀的基礎(chǔ)上研制了兩種具有減黏特性的浮子:ACF型和DFL型浮子,如圖9所示。
圖10與圖11給出兩種減黏浮子在仿真流場(chǎng)中的速度矢量圖,圖中可以清楚看到減黏浮子所產(chǎn)生的.強(qiáng)烈的渦旋場(chǎng)。
在兩種新浮子結(jié)構(gòu)中,ACF具有特別鋒利的邊緣和靠前的分離點(diǎn),流體流過最大截面后,在浮子后部出現(xiàn)劇烈的旋渦,故反向于流向的黏性應(yīng)力很顯著;而DF_L雖然較ACF分離點(diǎn)靠后,渦旋沒有ACF型的強(qiáng)烈,但其處在渦流區(qū)的浮子表面積要大于ACF,(DF_L為圓柱,而ACF為圓臺(tái)),所以其在渦流區(qū)所受的反向黏性摩擦力也較大
5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了檢驗(yàn)減黏浮子的減黏效果，,本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了三種形狀浮子所構(gòu)成浮子流量傳感器的減黏結(jié)果,浮子形狀如圖9所示。實(shí)驗(yàn)首先通過水溶液標(biāo)定各個(gè)浮子流量傳感器的浮子流向高度與流量的關(guān)系,然后使用已標(biāo)定好的浮子流量傳感器測(cè)量黏度等于的黏性溶液,由于黏性的影響,浮子流量傳感器所測(cè)量黏性溶液的流量與真實(shí)流量有一定誤差,誤差越大說明浮子流量傳感器受到黏度影響越大,反之，,說明浮子流量傳感器有減小黏性影響的特性。
實(shí)驗(yàn)中不同浮子所構(gòu)成的浮子流量傳感器分別對(duì)5種高黏度甲基纖維素水溶液進(jìn)行了測(cè)量,由于甲基纖維素的水溶液密度與水非常接近(常溫下為1001kg/m³),故可認(rèn)為浮子流量傳感器測(cè)量甲基纖維素水溶液體積流量無需密度修正。其中溶液黏度分別為137mPa·s,495mPa·s,1215mPa·s,1692，mPa。
和1962mPa's。
經(jīng)過物理實(shí)驗(yàn)得到不同類型浮子流量傳感器測(cè)量黏性溶液流量的測(cè)量誤差,如表1。
從表中可知,ACF型浮子與DF_L型浮子在測(cè)量最大黏性溶液中測(cè)量誤差分別為17.22%和13.87%;平均測(cè)量誤差分別為11.12%和7.75%;遠(yuǎn)優(yōu)于普通DF_C型浮子的最大測(cè)量誤差20.46%和平均誤差14.67%;如果測(cè)量黏度在495mPa·s范圍的黏性溶液，,兩種浮子的測(cè)量誤差可以控制在5%以下,對(duì)于DF_L型浮子，其測(cè)量誤差只有2.82%。以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真計(jì)算所得結(jié)論的正確性,即通過增加渦旋強(qiáng)度和增加渦旋區(qū)浮子面積對(duì)浮子流量傳感器的減黏作用。
6小結(jié)
通過研究可以得到以下結(jié)論:
(1)利用CFD方法可以有效的對(duì)測(cè)量黏性流體的浮子流量傳感器進(jìn)行模擬;在對(duì)流量傳感器的機(jī)理進(jìn)行定性研究中,發(fā)現(xiàn)了流體邊界層在最大截面處分離所產(chǎn)生的渦旋具有減黏效果。
(2)討論了利用渦旋場(chǎng)減小流體黏性影響的機(jī)理與減黏浮子結(jié)構(gòu)特征,并制造了兩種反映浮子減黏特征的浮子流量傳感器，通過物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了減黏浮子具有減黏的特性,減黏浮子傳感器在1-495mPa.s的黏性范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，介質(zhì)黏性所引起的測(cè)量誤差可控制在2.9%以內(nèi)
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