摘要：通過(guò)研究粘度對(duì)浮子流量傳感器測(cè)量的影響,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段,測(cè)出粘度為10~50mm³/s的.4050航空潤(rùn)滑油對(duì)浮子流量傳感器的影響誤差約為10%左右。結(jié)合浮子流量傳感器的邊界層理論與內(nèi)部流體流動(dòng)情況,運(yùn)用CFD軟件仿真,將粘度對(duì)DN40mm浮子流量傳感器影響誤差控制在5%以內(nèi)。從流場(chǎng)的角度分析浮子流量傳感器粘度影響規(guī)律及其機(jī)理,并且模式化仿真模型,為以后流量傳感器的仿真提供了借鑒作用。
浮子流量傳感器是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降,改變它們之間的流通面積來(lái)進(jìn)行測(cè)量的體積流量?jī)x表,又稱轉(zhuǎn)子流量傳感器或變面積流量傳感器”。浮子流量傳感器測(cè)量精.度受流動(dòng)介質(zhì)密度和粘度影響較大。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者做了大量試驗(yàn)研究2.3,試圖減小這兩個(gè)方面對(duì)測(cè)量精度的影響。葉佳敏通過(guò)大量粘度實(shí)驗(yàn)得到流量與不同浮子高度之間的關(guān)系曲線和非牛頓流體的粘度影響規(guī)律。
4個(gè)粘度共24個(gè)流量點(diǎn)的實(shí)流實(shí)驗(yàn),然后通過(guò)數(shù)值仿真求解了兩個(gè)粘度共12個(gè)流量點(diǎn)的流量情況,并根據(jù)仿真模型結(jié)構(gòu)化出另外兩個(gè)粘度12個(gè)流量點(diǎn)的仿真模型,與實(shí)驗(yàn)對(duì)比,仿真誤差在5%以內(nèi)。由此總結(jié)出DN40mm錐管浮子流量傳感器多粘度仿真模型,該模型便于以后深入研究浮子流量傳感器粘度影響機(jī)理和優(yōu)化減粘浮子的結(jié)構(gòu)。
1實(shí)驗(yàn)研究
本實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為4050航空潤(rùn)滑油,實(shí)驗(yàn)粘度范圍為10~50mm2/s。采用稱重法標(biāo)定流量傳感.器,控制系統(tǒng)采用變頻穩(wěn)壓方式,裝置精度為5%0。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的工作壓力和流量值,由變頻器控制油泵的輸出功率。該裝置采用改變介質(zhì)溫度的方式改變介質(zhì)粘度值,其中有一套完整的加熱和冷卻系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器,隨時(shí)采集實(shí)驗(yàn)介質(zhì)溫度,通過(guò)溫度與介質(zhì)粘度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,給出實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的粘度值。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
用稱重法在可變粘度流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上檢定該流量傳感器,檢定過(guò)程為:調(diào)節(jié)變頻器,使標(biāo)定軟.件測(cè)量到的電壓值分別對(duì)應(yīng)流量傳感器9.0mi、0.2qxomas、0.4qxomas、0.6qxomas、0.8qqxomas和qxomas6個(gè)刻度值上,記錄標(biāo)準(zhǔn)表流量和介質(zhì)溫度。利用刻度換算公式將表盤上水刻度值換算到實(shí)際流體的流量值。
對(duì)量程范圍1~10m³/h、精度等級(jí)1.5級(jí)的DN40mm浮子流量傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。qxo是刻度流量,qvomax為流量傳感器量程上限,qv是實(shí)際流量,δ1是滿度誤差,δ1=|(qy0-qy)1/qxomax100%,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
從表1可以看出:
a.
同一粘度流體,滿度誤差隨著流量的增大而增大。根據(jù)邊界層理論,同一種粘度的流體,當(dāng).流量增大時(shí),浮子壁面上邊界層的厚度會(huì)變薄,而邊界層內(nèi)流速的速度梯度會(huì)變大,從而導(dǎo)致浮子.所受的粘性切應(yīng)力變大,所以流量越大,滿度誤差.越大。
b.不同粘度的同一種流體,在同一流量下，滿度誤差隨著粘度的增大而增大。根據(jù)邊界層理.論,不同粘度的流體流過(guò)浮子流量傳感器時(shí),粘度越大,邊界層厚度越大,流體的有效流通面積就越小，另外，粘度的增大導(dǎo)致浮子受到的粘性切應(yīng)力變大。因此,必須減小浮子流量傳感器的入口流.量才能使浮子處在某一高度時(shí),維持受力平衡。
2仿真研究
2.1軟件簡(jiǎn)介
計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynam-ics,CFD)是利用計(jì)算機(jī)求解描述流體流動(dòng)規(guī)律的控制方程組技術(shù),涉及到流體力學(xué)、計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)圖形處理等技術(shù)。
2.2湍流模型的選擇
SSTk-ɷ模型是MenterFR提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ɷ模型的一個(gè)變形8。該模型合并了來(lái)源于ɷ方程中的交叉擴(kuò)散,并且湍流粘度的計(jì)算考慮到了湍流剪應(yīng)力的傳播。該模型可以較好地計(jì)算邊壁和環(huán)隙附近流體的束縛流動(dòng)情況,還可以正確計(jì)算.湍流核心區(qū)域流體的流動(dòng)情況。該模型在近壁自由流中較標(biāo)準(zhǔn)的k-ɷ模型有著更高的精度,在湍流核心區(qū)域的計(jì)算較標(biāo)準(zhǔn)k-ɷ模型有更廣泛的應(yīng)用。
選擇的仿真介質(zhì)為運(yùn)動(dòng)粘度范圍10~50mm2/s的航空潤(rùn)滑油，粘性影響明顯。粘性流體流經(jīng)浮子流量傳感器時(shí),由于粘性的影響,浮子流量傳感器內(nèi)雷諾數(shù)迅速減小,并且考慮到浮子.與導(dǎo)向桿的壁面約束作用,通過(guò)比較,選擇SSTk-ɷ模型作為浮子流量傳感器的湍流模型。
在GAMBIT中做出浮子流量傳感器的二維模型,并劃分網(wǎng)格,然后把模型導(dǎo)入到FLUENT軟件.中,進(jìn)行湍流模型的設(shè)置、人口條件設(shè)置、計(jì)算模型選擇、介質(zhì)屬性設(shè)置及浮子表面粗糙度設(shè)置等操作。
2.3仿真結(jié)果
對(duì)10mm²/s和50mm²/s粘度的12個(gè)流量點(diǎn)建立模型并進(jìn)行數(shù)值求解,誤差在5%以內(nèi)。針對(duì)30mm²/s和40mm²/s粘度的12個(gè)點(diǎn),在FLU-ENT建模時(shí),只移動(dòng)浮子的位移即可,其他的網(wǎng)格都是模塊化的，F(xiàn)LUENT中的設(shè)置只有粘度項(xiàng)和人口速度不同,其他完全相同。仿真結(jié)果表明:誤.差也在5%以內(nèi)。
2.3.1仿真誤差分析
令仿真流量為q，則相對(duì)誤差δy=1(qf-qv0)I/qy0×100%,不同粘度下流量的相對(duì)誤差如圖2所示。
由圖2可知,不同粘度下所得的仿真流量和實(shí)際流量的誤差均未超過(guò)5%,說(shuō)明數(shù)值仿真建模、劃分網(wǎng)格、選擇湍流模型以及求解控制參數(shù)等方面都是合理的。CFD數(shù)值仿真流場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)吻合,CFD數(shù)值仿真模型能夠很好地反映實(shí)驗(yàn)結(jié).果。
2.3.2速度云圖及其分析
為了直觀地反映同一流量點(diǎn)不同粘度下流量傳感器中速度的變化,選取0.6qyDmax時(shí)不同粘度.下X方向速度進(jìn)行分析,速度云圖如圖3所示。
由圖3可以分析出:
a.在同一刻度流量點(diǎn),X方向的速度和速度梯度隨著流動(dòng)介質(zhì)粘度的增大而減小。原因是流體的粘度增大了,內(nèi)部摩擦力增大,流體克服摩擦力做功增加,從而壓力損失增大,速度和速度梯度都減小了。
b.在同一刻度流量點(diǎn),隨著流體粘度增大，流體通過(guò)環(huán)隙后的漩渦尾流區(qū)影響變小。原因是流體粘度減小,速度明顯減小,雷諾數(shù)減小，漩渦.的傳播速度減小，而同時(shí)粘性切應(yīng)力變大，渦量的衰減速度增大。
2.3.3環(huán)隙速度分析
刻度流量為0.6qv0max的仿真模型,其軸向103.5mm處為錐管截面積最大處也就是環(huán)隙處，提取了環(huán)隙處的速度數(shù)值,繪制曲線如圖4所示。
從圖4可以看出，環(huán)隙處流體的速度隨著粘度的增大而減小。原因是同一刻度流量下,環(huán)隙的面積是相同的,而流體介質(zhì)的粘度增大,則其內(nèi).部摩擦力消耗增大,使流過(guò)環(huán)隙處的速度降低。
3數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
仿真的滿度誤差小于5%,而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的滿度誤差是11%,二者不同的主要原因?yàn)?
a.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本身存在著誤差。該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)改變溫度來(lái)改變介質(zhì)粘度的,但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度并非恒定,有一定的波動(dòng),所以溫度值有一定的誤差,從而根據(jù)溫度取得的密度和粘度值也有誤差。
b.仿真的粘度值與實(shí)驗(yàn)的粘度值有誤差。實(shí)驗(yàn)是每個(gè)流量點(diǎn)正反行程都測(cè)了兩次,而仿真的粘度值是取各次實(shí)驗(yàn)的平均值,設(shè)定參數(shù),每個(gè)流量點(diǎn)的粘度只有一個(gè)數(shù)值。這種方法必然導(dǎo)致流體的仿真粘度和實(shí)驗(yàn)粘度存在誤差。
C.仿真本身存在誤差。流場(chǎng)是連續(xù)的,但是CFD數(shù)值仿真是采用離散化的手段對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行迭代計(jì)算。如果網(wǎng)格較少,則計(jì)算結(jié)果不夠正確,會(huì)產(chǎn)生誤差;如果網(wǎng)格過(guò)多,會(huì)使截?cái)嗾`差增大,同樣也會(huì)引起較大誤差。
4結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真,總結(jié)出粘度對(duì)浮子流量傳感器的影響。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),數(shù)值仿真可以更透徹地看到管體內(nèi)部流體的流動(dòng)情況,但是數(shù)值仿真需要經(jīng)驗(yàn)和對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)的基本把握,需要一定的理論基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)可以獲得大量新的的資料,可以將數(shù)值仿真作為實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。
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