摘要:為了減小黏性流體對浮子流量傳感器測量的影響,本文采用優化浮子結構的方法來設計黏性不敏感浮子傳感器,運用計算流體力學(CFD)的方法對測量黏性介質的浮子流量傳感器進行了數值仿真,在仿真分析的基礎上，，發現流體在邊界層分離產生的渦旋流場可以減小黏性對浮子流量傳感器測量的影響,研究分析了利用渦旋場減小流體黏性影響的機理與減黏浮子結構的特征;同時設計制造了利用渦旋效應實現減黏的浮子流量傳感器,利用黏性物理實驗對減黏浮子的減黏效果進行了驗證,具有減黏效果的浮子流量傳感器在1-495mPa.s的黏性范圍內,介質黏性所引起的測量誤差可控制在2.9%以內.
1概述
利用浮子流量傳感器對流體的測量過程中,經常會涉及到對黏性流體的測量,當實際測量工作介質的黏度與標定介質的黏度不同時,黏性就會影響流量測量的正確率。針對這個問題,國內外許多學者作了大量的研究,這些研究從方法上講可分為兩大類,一類研究著眼于對現有的浮子流量傳感器通過實驗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構設計。
由于利用黏性修正曲線消除黏性影響只能在被測黏度為常數或掌握其黏度變化規律的情況下,才能對黏性影響流量示值進行修正。而在對浮子傳感器結構優化方面:FisherK首先提出在標定中忽略黏性影響的設計[5],此后Miller.R.w給出一系列特殊結構的浮子形狀，,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,不需要進行黏度校正。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的黏度范圍。
本文試圖找到能夠減小流體黏性對測量影響的浮子流量傳感器結構,并分析總結減黏的機理,為優化浮子結構提供理論基礎。由于在工業中使用測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,所以用流動顯示的實驗方法來研究浮子流量傳感器機理既不易觀察到浮子內部流場的變化,也增加了研發的費用。鑒于此,本文采用CFX軟件對測量黏性介質的浮子流量傳感器內部流場進行了數值模擬,通過對仿真結果的分析,提出減小黏性對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構
浮子流量傳感器基本結構如圖1所示,在垂直的錐形管中放置一阻力件，也就是浮子。當流體自下而.上流過錐管時，由于浮子的阻塞作用使其上下表面產.生了壓差,從而對浮子形成一個向上的作用力,如果所測流體是黏性流體,還應該考慮浮子表面的黏性摩擦力。當升力大于浮子本身的重力時,浮子向上運動，此時浮子與錐形管之間的環通面積增大,流速減.低,浮子對流體阻力作用減小。當浮子受到的力達到平衡時,浮子就會停留在某一高度
3計算流體力學方法的應用
本文計算中使用的控制方程為RANS方程,選用工程中常用的Standardk-ε模型作為流場計算的湍流模型。為了簡便,以不可壓縮湍流流動為例寫出仿真使用的k-ε模型通用形式的流體控制方程。在直角坐標系中,流動可由如下的雷諾時均N-S方程.和連續性方程來描述。
連續方程:
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和渦黏性系數,對高Re數湍流,渦黏性系數由下式決定:
別為湍動能產生項和平均應變率張量。
同時為了能夠動態仿真浮子流量傳感器的測量原理,使浮子可以根據受力變化自動調整其在錐管中的位置,本文根據牛頓第二定律,得到浮子上下移動的控制方程;
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是浮子自身的質量,△t為計算迭代前后的時間差,△u計算迭代前后的速度差,計算中把相對速度轉化為相對位移來控制.浮子的升降，直到被計算的浮子所受到的合力到達平衡。
4流場仿真與機理分析
仿真過程中建立了浮子流量傳感器結構模型,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,圖中色標由冷色調變化到暖色調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給出測量黏性流體浮子流量傳感器仿真計算的.流程簡圖。
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偽色圖,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,浮子與錐管之間環隙變大,流體在錐管中的速度分布也隨之發生明顯的變化,據此可以定性判斷出計算所得結果是合理的。
為了研究流體黏性摩擦力對浮子表面受力的影響,仿真計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,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了深藍色的黏性力色帶,這說明此處浮子表面所受到的黏性摩擦力為負值,即黏性力作用的方向反向于流體流向,這種現象在一定程度上減小了黏性流體黏性力對浮子傳感器的影響。通過觀察流體在通過最大截面時的速度矢量圖,如圖8所示,可以發現渦旋作用是造成浮子在最大截面后部出現負黏區的主要原因。
根據邊界層理論,由于黏性而使物面邊界產生邊界層,當黏性流體流過浮子最大截面而后突然流動‘分離”。這樣產生的分離層迅速形成一個或多個渦,這樣的渦可以滯留在物體后部。也就是說,流體流經浮子與管壁之間的環隙時,環隙速度增大,流體在截面內均勻分布,當截面沿流動方向突然增大的時候，由于分離形成了滯留在浮子最大截面后部的渦流區，從而形成逆流,使浮子整體表面所受到黏性摩擦力在流動方向上減小,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。根據以上分析,本文提出利用流體邊界層提前分離產生的渦旋區實現浮子減黏的方案,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域越小;迎流面的邊緣越鋒利,分離點越靠前,分離造成的渦旋效果越顯著;分離所產生渦旋場中的浮子表面積越大,浮子受到負黏性摩擦力越大。
根據仿真研究得到的減黏規律,本文在原有基本浮子(DF_C型)形狀的基礎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中的速度矢量圖,圖中可以清楚看到減黏浮子所產生的.強烈的渦旋場。
在兩種新浮子結構中,ACF具有特別鋒利的邊緣和靠前的分離點,流體流過最大截面后,在浮子后部出現劇烈的旋渦,故反向于流向的黏性應力很顯著;而DF_L雖然較ACF分離點靠后,渦旋沒有ACF型的強烈,但其處在渦流區的浮子表面積要大于ACF,(DF_L為圓柱,而ACF為圓臺),所以其在渦流區所受的反向黏性摩擦力也較大
5實驗驗證
為了檢驗減黏浮子的減黏效果，,本實驗測試了三種形狀浮子所構成浮子流量傳感器的減黏結果,浮子形狀如圖9所示。實驗首先通過水溶液標定各個浮子流量傳感器的浮子流向高度與流量的關系,然后使用已標定好的浮子流量傳感器測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量黏性溶液的流量與真實流量有一定誤差,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。
實驗中不同浮子所構成的浮子流量傳感器分別對5種高黏度甲基纖維素水溶液進行了測量,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),故可認為浮子流量傳感器測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。
經過物理實驗得到不同類型浮子流量傳感器測量黏性溶液流量的測量誤差,如表1。
從表中可知,ACF型浮子與DF_L型浮子在測量最大黏性溶液中測量誤差分別為17.22%和13.87%;平均測量誤差分別為11.12%和7.75%;遠優于普通DF_C型浮子的最大測量誤差20.46%和平均誤差14.67%;如果測量黏度在495mPa·s范圍的黏性溶液，,兩種浮子的測量誤差可以控制在5%以下,對于DF_L型浮子，其測量誤差只有2.82%。以上實驗數據驗證了仿真計算所得結論的正確性,即通過增加渦旋強度和增加渦旋區浮子面積對浮子流量傳感器的減黏作用。
6小結
通過研究可以得到以下結論:
(1)利用CFD方法可以有效的對測量黏性流體的浮子流量傳感器進行模擬;在對流量傳感器的機理進行定性研究中,發現了流體邊界層在最大截面處分離所產生的渦旋具有減黏效果。
(2)討論了利用渦旋場減小流體黏性影響的機理與減黏浮子結構特征,并制造了兩種反映浮子減黏特征的浮子流量傳感器，通過物理實驗驗證了減黏浮子具有減黏的特性,減黏浮子傳感器在1-495mPa.s的黏性范圍內測量時，介質黏性所引起的測量誤差可控制在2.9%以內
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