靶式流速計及其在坐便器水包流速測量中的應用.docx

1、測'l;與設備靶式流速計及其在坐便器水包流速測量中的應用廣東省十五重大科技專項支持，編號A10402011胡建國微孫友松I潘曉濤I劉易凡I朱錚濤I章爭榮1(1.廣東工業(yè)大學，廣州510640；2.順德職業(yè)技術學院，順德528300)摘要根據(jù)郭式流量計的工作原理，自行設計了用于測量坐便器沖水過程水包壁面流速的應變式流速計。在靶桿外增加套筒,使流體作用面積恒定，消除了測量深度對精度的影響。該流速計結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應好。將該流速計用于坐便器沖水過程水包流速測量，有很好的重復性，測蚩結(jié)果與數(shù)值模擬能較好地吻合。關詢坐便器;流速;測量;靶式流速計動態(tài)應變儀PC機0引言坐便器沖水過程是時間很短的(

2、4s5s)非恒定流動過程，為了驗證坐便器沖水過程數(shù)值模擬結(jié)果的準確性,需測景:坐便器水包壁面某些特征點的動態(tài)流速，并與數(shù)值模擬得到的速度曲線對比。目前，工程上用于測量流速的方法很多，如CCD法、超聲波法、熱線爆法、激光多普勒法及靶式測速法等。對于測景水包壁面特征點的流速,CCD法響應速度快(毫秒級),但存在無法辨別粒子在流場中深度的缺點;超聲波法尚不能測景水包這類具有自由表面的非封閉管道內(nèi)的流速;熱線彼法由于熱容滯后，響應速度太慢，不適合測量非穩(wěn)態(tài)流動;激光多普勒法動態(tài)響應快、不影響流場，但價格昂貴。本文采用結(jié)構(gòu)簡單、準確度和靈敏度高、能動態(tài)測量的靶式測速法。根據(jù)靶式流量計的工作原理，自行設計

3、制造了應變靶式流速計。針對某型號坐便器的沖水過程，對水包中若干特征點的流速進行了實際測量。測量結(jié)果表明，靶式流速計結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應好、測景結(jié)果準確，不但能與數(shù)值模擬的結(jié)果較好地吻合，而且有很好的重復性。1應變靶式流速計工作原理當流體流動時，流體的機械能由靜壓能和動壓能組成,如果在流體流動方向上設置一個障礙物,則流體的動壓能將轉(zhuǎn)化為對于障礙物的作用力I，而流體的動壓能E的大/卜決定于流速p和流體密度p,即：E=pv2(1)對于應變靶式流速計，流體作用在靶上的力由以下兩部分組成：1) 流體對靶的沖擊力及由于流束在靶后分離而產(chǎn)生的差壓阻力；2) 流體流經(jīng)靶時與靶面產(chǎn)生的粘滯摩擦力。對于水這樣的黏度

4、很小的流體，在上述兩項中，第一項力起主導作用，即：F=A#(2)式中：F為靶所受到的力；£為阻力系數(shù)，當雷諾數(shù)達一定值時,將趨于常數(shù);A為靶的迎流面積;為流體在測量點的平均流速;p為流體密度。圖1應變靶式流速計工作原理圖2應變靶式流速計結(jié)構(gòu)設計為準確地測出流場中某點的速度，消除測量深度對結(jié)果的影響，在靶桿外增設一套簡，靶露出套筒測芋與設備的面積即為流體作用的面積。結(jié)構(gòu)設計需考慮所測量程、套筒直徑、靶桿截面、長度等，由此計算靶桿可能產(chǎn)生的撓度和應變片可能輸出的應變值等。此外，尚需考慮防水性要求。最終得到如圖2所示的應變靶式流速計結(jié)構(gòu)。圖2應變IE式流速計結(jié)構(gòu)忽略流體粘滯性產(chǎn)生的摩擦力，

5、根據(jù)材料力學方法，可推導出應變靶式流速計測得的應變量與流體流速p的關系為：=Kv2(3)式中：K為與流體密度和流速計結(jié)構(gòu)形狀與尺寸有關的常數(shù)，可通過實驗標定得到。3坐便器沖水過程水包流速測3.1測原理坐便器沖水過程屬于復雜流道非穩(wěn)定流動，其中，水包中的流動最為復雜。為驗證數(shù)值模擬的結(jié)果，需對水包中的流速進行實際測童。為此,在水包壁選擇了若干特征點，測重前在水包壁面上測量點處打孔，將流速計插入,靶面方向垂直于水流方向。靶面為矩形,與靶桿設計成連體形式,通過靶桿固定座和外套固定在水包壁上。靶桿后端兩側(cè)對稱貼有兩片電阻應變片，應變片上涂有軟體防水膠，如圖3所示。圖4所示為應變靶式流速計測量系統(tǒng),該系

6、統(tǒng)由應變靶式流速計、電橋盒、DH5935動態(tài)應變儀及信號測試分析系統(tǒng)等組成。本文在水包壁面上選取了3個特征點,測量時信號測試分析系統(tǒng)自動平衡電橋，應變片與電橋盒采用半橋接法,應變量通過動態(tài)電阻應變儀采集。采樣頻率為100Hz,采樣方式為連續(xù)采樣。圖3坐便器水包流速測量信號測試分析系統(tǒng)DH5935動態(tài)應變儀沖落式坐便器圖4坐便器流速測jft系統(tǒng)應變靶式流速計測得只是應變值，可根據(jù)式(3)計算速度值。對于靶式測速法，工程上常采用掛重法標定，但該法屬于干法標定，準確度不高，本文采用實際流體介質(zhì)標定，即在實驗水槽中給定一組不同速度的穩(wěn)態(tài)水流，然后依次用應變靶式流速汁測量該流速下的應變值。表1所示為標定

7、實驗中的流速與對應的應變測量值。«1系數(shù)K的標定基于表1的數(shù)據(jù)以及初始條件次=Om/s、e=0,在數(shù)值軟件Madab中擬合多項式：e=Kv2,流速v(m/s)0.290.531.001.40應變e64.81x10-6112.76x10-6220.45X10'6503.43x10-6求解出待定系數(shù)K=252.52。擬合后得到的速度-應變關系即為=252.52/。由實驗測得的應變數(shù)據(jù)和上述標定出的速度-應變關系，即可得到實驗測得的速度曲線圖，3.2測結(jié)果圖5所示為6L沖水量下實驗測得的三組速度曲線圖。從圖5可以看出，三組數(shù)據(jù)中流速都是在0.5s以內(nèi)快速達到1.7m/s,隨著水箱中

8、水的勢能的降低,流速逐漸減小,4s后整個水箱水沖完，可見，該應變靶圖5實驗得到的速度曲線3.3數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比圖6所示為通過實驗測量和數(shù)值計算分別得到的水包壁面某點在沖水過程中的速度-時間歷程對比圖。從圖中可以看出，兩者的時間歷程都在4s左右，在0.5s時刻流速都達到1.7m/s,到2.Os時刻，流速緩慢降低至1.4m/s;在2.Os3.0s時段，水包壁面流速都受到了水封水的影響，流速有所波動;3.0s以后，隨著水箱中水位的降低，流速逐漸降低;在4s時刻,所有水流基本通過測試點。整個沖水過程中，兩者在時間歷程、速度大小以及速度的變化趨勢上基本吻合，因此，試驗結(jié)果在一定程度上驗證了數(shù)值模擬的準確性。圖6實驗與模擬速度曲線對比4結(jié)論1）基于靶式流量計的流速測量裝置具有動態(tài)響應好的優(yōu)點，可用于非恒定流速度的測量；2）在靶桿上附加套筒，可以有效控制靶的受力面積，消除測量深度對測量精度的影響，提高速度測量的準確性；3）采用新設計的流速計成功地進行了坐便器沖水過程中水包流速的測最。測量結(jié)果表明，該應變靶式流速計具有很好的重復性,數(shù)值模擬結(jié)果與實測曲線能較好吻合?？嘉墨I1 蘇彥附，盛鍵，梁國偉.流新與測試.北京:中國計出版社,1992,160-165蔣慶，物娜.應變IE式流景計的誤差分析與對策.自動化儀表,2002（3）：1013旋進型旋