摘要:为了减小黏性流体对浮子流量传感器测量的影响,本文采用优化浮子结构的方法来设计黏性不敏感浮子传感器,运用计算流体力学(CFD)的方法对测量黏性介质的浮子流量传感器进行了数值仿真,在仿真分析的基础上，，发现流体在边界层分离产生的涡旋流场可以减小黏性对浮子流量传感器测量的影响,研究分析了利用涡旋场减小流体黏性影响的机理与减黏浮子结构的特征;同时设计制造了利用涡旋效应实现减黏的浮子流量传感器,利用黏性物理实验对减黏浮子的减黏效果进行了验证,具有减黏效果的浮子流量传感器在1-495mPa.s的黏性范围内,介质黏性所引起的测量误差可控制在2.9%以内.
1概述
利用浮子流量传感器对流体的测量过程中,经常会涉及到对黏性流体的测量,当实际测量工作介质的黏度与标定介质的黏度不同时,黏性就会影响流量测量的正确率。针对这个问题,国内外许多学者作了大量的研究,这些研究从方法上讲可分为两大类,一类研究着眼于对现有的浮子流量传感器通过实验找出其黏性修正曲线;另一类着重于尽可能消除黏性影响的浮子传感器结构设计。
由于利用黏性修正曲线消除黏性影响只能在被测黏度为常数或掌握其黏度变化规律的情况下,才能对黏性影响流量示值进行修正。而在对浮子传感器结构优化方面:FisherK首先提出在标定中忽略黏性影响的设计[5],此后Miller.R.w给出一系列特殊结构的浮子形状，,指出这些浮子具有黏度不敏感上限值,在此黏度限制以下时,不需要进行黏度校正。但在他们的工作中并没有指出浮子流量传感器黏性不敏感的工作原理和适应的黏度范围。
本文试图找到能够减小流体黏性对测量影响的浮子流量传感器结构,并分析总结减黏的机理,为优化浮子结构提供理论基础。由于在工业中使用测量黏性溶液的浮子流量传感器多是耐高温耐高压的金属浮子流量传感器,所以用流动显示的实验方法来研究浮子流量传感器机理既不易观察到浮子内部流场的变化,也增加了研发的费用。鉴于此,本文采用CFX软件对测量黏性介质的浮子流量传感器内部流场进行了数值模拟,通过对仿真结果的分析,提出减小黏性对浮子流量传感器影响方法,并最终研制出受黏度影响小的减黏浮子。
2浮子流量传感器的基本结构
浮子流量传感器基本结构如图1所示,在垂直的锥形管中放置一阻力件，也就是浮子。当流体自下而.上流过锥管时，由于浮子的阻塞作用使其上下表面产.生了压差,从而对浮子形成一个向上的作用力,如果所测流体是黏性流体,还应该考虑浮子表面的黏性摩擦力。当升力大于浮子本身的重力时,浮子向上运动，此时浮子与锥形管之间的环通面积增大,流速减.低,浮子对流体阻力作用减小。当浮子受到的力达到平衡时,浮子就会停留在某一高度
3计算流体力学方法的应用
本文计算中使用的控制方程为RANS方程,选用工程中常用的Standardk-ε模型作为流场计算的湍流模型。为了简便,以不可压缩湍流流动为例写出仿真使用的k-ε模型通用形式的流体控制方程。在直角坐标系中,流动可由如下的雷诺时均N-S方程.和连续性方程来描述。
连续方程:
其中Ui为平均速度，P为平均压力,ʋ和ʋt,分别为分子黏性系数和涡黏性系数,对高Re数湍流,涡黏性系数由下式决定:
别为湍动能产生项和平均应变率张量。
同时为了能够动态仿真浮子流量传感器的测量原理,使浮子可以根据受力变化自动调整其在锥管中的位置,本文根据牛顿第二定律,得到浮子上下移动的控制方程;
其中F.为浮子表面压力差,FV为浮子所受到的黏性力,G为浮子受到的重力，m是浮子自身的质量,△t为计算迭代前后的时间差,△u计算迭代前后的速度差,计算中把相对速度转化为相对位移来控制.浮子的升降，直到被计算的浮子所受到的合力到达平衡。
4流场仿真与机理分析
仿真过程中建立了浮子流量传感器结构模型,如图2所示。为了提高浮子流量传感器入口仿真效果,仿真按照尼古拉兹圓管速度剖面公式给出如图3所示浮子流量传感器入口速度剖面,图中色标由冷色调变化到暖色调表示流体速度由小到大,从伪色图中可以看到从边壁到中心的速度是由小到大非线性分布的。为了清楚说明浮子流量传感器的仿真过程图4给出测量黏性流体浮子流量传感器仿真计算的.流程简图。
通过仿真,分别得到小流量和大流量入口流量条件下的传感器速度剖面伪色图,如图5、图6所示。图中可以清楚看到传感器中流体在浮子周围以及出入口的速度分布。随着流量的增加,浮子的位置上升,浮子与锥管之间环隙变大,流体在锥管中的速度分布也随之发生明显的变化,据此可以定性判断出计算所得结果是合理的。
为了研究流体黏性摩擦力对浮子表面受力的影响,仿真计算了浮子表面受到的沿流向黏性摩擦力等值线图,如图7所示,图中可以清楚的看到在浮子最大截面之前的浮子表面有浅绿色的黏性摩擦力色带区,它说明浮子的前端受到了较大沿流向的黏性力影响,而在最大截面后部的浮子表面上出现了深蓝色的黏性力色带,这说明此处浮子表面所受到的黏性摩擦力为负值,即黏性力作用的方向反向于流体流向,这种现象在一定程度上减小了黏性流体黏性力对浮子传感器的影响。通过观察流体在通过最大截面时的速度矢量图,如图8所示,可以发现涡旋作用是造成浮子在最大截面后部出现负黏区的主要原因。
根据边界层理论,由于黏性而使物面边界产生边界层,当黏性流体流过浮子最大截面而后突然流动‘分离”。这样产生的分离层迅速形成一个或多个涡,这样的涡可以滞留在物体后部。也就是说,流体流经浮子与管壁之间的环隙时,环隙速度增大,流体在截面内均匀分布,当截面沿流动方向突然增大的时候，由于分离形成了滯留在浮子最大截面后部的涡流区，从而形成逆流,使浮子整体表面所受到黏性摩擦力在流动方向上减小,甚至与浮子上升方向相反,这样就部分抵消了黏性带来的影响。根据以上分析,本文提出利用流体边界层提前分离产生的涡旋区实现浮子减黏的方案,其中包括:最大截面之前的浮子表面积越小,沿流向的正黏性力作用区域越小;迎流面的边缘越锋利,分离点越靠前,分离造成的涡旋效果越显著;分离所产生涡旋场中的浮子表面积越大,浮子受到负黏性摩擦力越大。
根据仿真研究得到的减黏规律,本文在原有基本浮子(DF_C型)形状的基础上研制了两种具有减黏特性的浮子:ACF型和DFL型浮子,如图9所示。
图10与图11给出两种减黏浮子在仿真流场中的速度矢量图,图中可以清楚看到减黏浮子所产生的.强烈的涡旋场。
在两种新浮子结构中,ACF具有特别锋利的边缘和靠前的分离点,流体流过最大截面后,在浮子后部出现剧烈的旋涡,故反向于流向的黏性应力很显著;而DF_L虽然较ACF分离点靠后,涡旋没有ACF型的强烈,但其处在涡流区的浮子表面积要大于ACF,(DF_L为圆柱,而ACF为圆台),所以其在涡流区所受的反向黏性摩擦力也较大
5实验验证
为了检验减黏浮子的减黏效果，,本实验测试了三种形状浮子所构成浮子流量传感器的减黏结果,浮子形状如图9所示。实验首先通过水溶液标定各个浮子流量传感器的浮子流向高度与流量的关系,然后使用已标定好的浮子流量传感器测量黏度等于的黏性溶液,由于黏性的影响,浮子流量传感器所测量黏性溶液的流量与真实流量有一定误差,误差越大说明浮子流量传感器受到黏度影响越大,反之，,说明浮子流量传感器有减小黏性影响的特性。
实验中不同浮子所构成的浮子流量传感器分别对5种高黏度甲基纤维素水溶液进行了测量,由于甲基纤维素的水溶液密度与水非常接近(常温下为1001kg/m³),故可认为浮子流量传感器测量甲基纤维素水溶液体积流量无需密度修正。其中溶液黏度分别为137mPa·s,495mPa·s,1215mPa·s,1692，mPa。
和1962mPa's。
经过物理实验得到不同类型浮子流量传感器测量黏性溶液流量的测量误差,如表1。
从表中可知,ACF型浮子与DF_L型浮子在测量最大黏性溶液中测量误差分别为17.22%和13.87%;平均测量误差分别为11.12%和7.75%;远优于普通DF_C型浮子的最大测量误差20.46%和平均误差14.67%;如果测量黏度在495mPa·s范围的黏性溶液，,两种浮子的测量误差可以控制在5%以下,对于DF_L型浮子，其测量误差只有2.82%。以上实验数据验证了仿真计算所得结论的正确性,即通过增加涡旋强度和增加涡旋区浮子面积对浮子流量传感器的减黏作用。
6小结
通过研究可以得到以下结论:
(1)利用CFD方法可以有效的对测量黏性流体的浮子流量传感器进行模拟;在对流量传感器的机理进行定性研究中,发现了流体边界层在最大截面处分离所产生的涡旋具有减黏效果。
(2)讨论了利用涡旋场减小流体黏性影响的机理与减黏浮子结构特征,并制造了两种反映浮子减黏特征的浮子流量传感器，通过物理实验验证了减黏浮子具有减黏的特性,减黏浮子传感器在1-495mPa.s的黏性范围内测量时，介质黏性所引起的测量误差可控制在2.9%以内
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