MEMS流速仪流体动力学设计.docx

1、文章编号：1007-2284(2016)10-0080-03MEMS流速仪流牌动力学设计董波】，董万钧】，刘婕1,杨杰2,刘清，港3(1.水利部南京水利水文自动化研究所，南京210012,2.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044；3.南京信息工程大学电子与信息工程学院.南京210044)摘要:针对MEMS技术在流速测量的领域的应用，设计了一种基于MEMS技术的在线流速仪。为了优化传感器探头结构设计与芯片选型，利用CFD方法建立流速仪的流体动力学模型，对其施加外部受杂对流一传热耦合热边界条件，进行流固耦合传热计算，得到不同直径的流速仪温度场分布。采用遗传算法对CFD方法计算姑果进行拟合

2、，建立了探头温度丁与水流速度V及探头直夜D之间的修正方程。测试结果表明：传感器探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小，随着探头外径的增加而减小。当水流速度小于0.1m/s时，探头温度肢速度减小变化较快，即该量程范国内测量精度较高。关词：MEMS,在线测流；流速仪;计算流体动力学中图分类号:TV9HS274.4文献标识码:ACFDDesignofCurrentMeterBasedonMEMSDONGBo1,DONGWan-jun1,LIUJie1,YANGJie2,LIUQing-quan3(1.NanjingAutomationInstituteofWaterConservancyandH

3、ydrology,theMinistryofWaterResources,Nanjing210012.China；2.SchoolofAtmosphericPhysics*NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044»China；3.SchoolofElectronicandInformationEngineering»NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology*Nanjing210044.China)Abstract:Aiminga

4、ttheapplicationofMEMStechnologyinthefieldofvelocitymeasurement,basedonMEMStechnologyanonlinecurrentmeterwasdesigned.Inordertooptimizethesensorprobestructuredesignandchipselection,theflowoffluiddynamicsmodelwasestablishedbythemethodofCFD,Thecurrentmetertemperaturefielddistributionofdifferentdiameterw

5、asdevelopedfromthefluid-structurecouplingheattransfercalculation*fortheexternalconvectiveheattransfercoupling-complexthermalboundaryconditionsofthesensor.ThemodifiedequationoftheprobetemperatureTandtheflowvelocityVandpipediameterDwasestablished,withthemethodofgeneticalgorithm*applyingtofitthecalcula

6、tionresultsofCFD.Testresultsshowthat：thetemperatureofsensorprobedecreasesintheformofexponentialwiththeincreaseofflowvelocityanddecreaseswiththeincreaseoftheprobediameter.Whentheflowrateislessthan0.1m/s,thetemperatureofsensorprobedecreasesharplywiththereduceofflowvelocity,theprecisionishigherwithinth

7、espeedrange.Keywords：MEMS；linespeeddetect；currentmeter；computationalfluiddynamics目前河流水流流速测量领域，应用比较广泛的流速测量方法主要使用毕托管、热线热膜流速仪、转子流速仪、激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪等“幻.其他方法均是基于这些方法的基本原理演变来的。由于毕托管探针本身制作的困难和新的测量技术的发展，加之毕托管属于单点、定常的接触式测垣,对被测流场影响较大，在实际测量应用中受到了一定限制。热线热膜流速仪基于热丝与周围流体间的换热进行流速测量，对周围介质最大的要求就是污染小,周围环境对热线探头的干扰收稿日期

8、：2016-06-29作者简介:董波1987-).男，工程师.研究方向为水利佰息化.E-mail：db690571215.小。但对于含沙量大的应用场合，便无法使用热线热膜流速仪进行流速测量。当然，需要校准过程并且需要其他的测量流速方法校准也是使用中的限制因素,在很大程度上限制了热线流速仪测量精度的提高。激光多谱勒流速仪利用多谱勒效应进行三维速度测量，时间、空间分辨率都较高，测量时直接得到流速数据.测量精度也是当前流速测量方法中最高的，但是由于该设备价格过高，主要依赖进口，未能得到广泛应用。粒子图像测速仪在流体力学实验研究中得到了广泛应用，在微流动中发挥了越来越重要的作用,但是由于该测量方法对流

9、体要求较高，未能在河流流速测量中得到实际应用。综上，国内外常用的测流装置虽然在一定时期和一定程度上对流速检测起到J'较大作用.但是仍然存:在若设备昂贵、安装复杂、维护困雄及精度不高等缺点和不足，加上仃些地方的监测点偏远荒芜.不适合人员长期驻守监测.因而.本项目在前人研究的基础上.利用MEMS技术设计低成本、小型化的在线流速测ht装'置有音口大而深远的意义.若整个系统推向实际应用更是右*广阔的小场前景。MEMS技术是随并半导体集成电路微细加I：技术和超精密机械加.技术发展起来的，是多学科交叉的新兴领域，具有体积微小、耗能低、微细操作便捷、成本低、传感器对流场的干扰少等优点'

10、;6.尤其是微小尺度F流速精确测景问题具有独持的优势.木文提出的种新烈基于MEMS技术的在线测流系统.对于解决河道流速实时在线测情尤患是小微流速的测ht具有显井的优势1工作原理1.1MEMS流速仪测故原理热流ht传感器的匚作原理主要仃热损失型X、热温差型Y以及热脉冲型Z,其中热温差型流速传感器利用当流体流过加热体的时候,芯片上游和卜,源的温度梯度来反映流速.是水流速测ht的理想选择热式流速测技是依据托马斯提出的“气体的放热仙或吸热址与该气体的质址流速成正比”的理论，利用流体与热源之间的热ht交换关系来测ht流速的技术7。目前热式流速传感器主要:分为热损失型和热温是型2种类型”*。其中.前片通过

11、测ht流体流过时加热体的温度变化，测算流体流速.但不能测体流向。后者利用流体流过加热体时.上游的温度下降会比下游快.导致加热体附近热场发生变化.通过测ht这个温度里可以同时反映流体流速和流向。即：ATvs=cos0=sVcos0A7'w=7'sint?=5Vsin0式中：丁为传感器温度：V和。分别为流速和流向；.、为温是对流速的灵敏度系数对于阳伉为k、温度系数为a的测温电阻.惠斯通电桥的输出电压分ht为：从而流速和流向以表示为：V=普/（As+Bwa5（J0=arctan1.2系统结构流速仪测ht系统由流速仪探头L信2线2、信号处理系统3J2V开关电源4,220V电源5、计算机

12、6等部分组成，见图1.2流速仪流体动力学设计2.1流体动力学模型流速仪包含传感器芯体、不锈钢管、导热胶体和电位差计式电桥测温模块本文采用（下1）方法建/流速仪的流体动力学模型.对H：施加外部岌杂对流传热胡合热边界条件.进行流固根合传热计算.得到流速仪的温度场分布.由图2可知.流速计探头由*L径为3mm的不锈钢管、图1系统结构Fig.1SystemstructurediagramMEMS传感器探头和泡沫密封体组成。传感器探头K10mm.水流垂直流向不锈钢管.钢管中心放置圆柱形传感器，加热功率为2W,传感器探头1：卜各安装2W圆柱形泡沫体。流速计探头材料的相关特性参数见表1.不锈钢（外柱3mm壁厚

13、0.3mm长度30mm）泡沫体2传感器（长度10nun）、泡诛体I图2流速计探头示意图Fig.2Schematicofpitometerprobe«1流速计探头材料特性基本参数Tab.1Materialproperliesofthepitometerprobe材料密度/(kgm3)热容/(Jkg1K')热学率"Wm1K1)不锈钢8030502.-1816.27泡沫50591.000.02陶瓷3900840.0035,00较大的空y域尺寸有利于提高计算粘度.但会导致计算变得困雄it.雄以求解；反之，可以使得算法容易实现，但计算误差较大。因此需对空气域尺寸进行优化.通过

14、比较不同空气域尺寸模型的模拟计算悄况，从精度和求解的难易程度上考虑，得出低辐射误差温度传感器的合理空气域尺寸为30mmX100mmXlOOmm,为获得理想的网格质缺.本文采用网格划分软件K'EMCF1）对计算模型进行网格划分,采用适应性较强的非结构化四面体网格划分技术生成得到四面体网格为精确计算流体和固体之间热ht交换.对流固交界面进行r边界层网格设计。为我证网格的无关性，对70150万网格数址模型进行仿真计算。当网格数情从90万变至150万时，随着网格数怯的增加.辐射误差变化较小.可认为90万的网格巳达到网格无关的要求.因此取数lit为90万的网格作为计算网格。求解时基于压力求解器.

15、并采用非定常流动计算.模型中采用能ht方程进行传热计算。温流模型采用k-epsilon标准模型压力和速度解耦采用SIMPLE算法动址、能量以及湍流参械的求解采用一阶迎风模式。2.2温度场分布本文运用CFD方法对流速计进行仿苴计算.水流速度和加热功率分别为0.01m/s和2W。温度场和速度场分布见图3.由计算结果可知,流速计探头传感器的温度为12.592P.314.316312.心311.453310.021308.590307.158305.726304295302X63301.431300000993仿A获得的温度场和流场分布Fig.3Simulationresultsofthetemper

16、atureandvelocityfield2.3不同直径探头对测员的影响运用CFD方法对不同直径流速计探头进行传热计算.得到水流速度与探头温度之间的关系。加热功率为2W,水流速度变化范围为0.0015m/s.探头直径为3、4和5mm。探头温度和水流速度之间的关系见图4.圈4水流速度和中心温度的关系曲线Fig.4Therelationshipbetweenprobetemperatureandwatervelocity探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小，随着探头外径的增加而减小.如图4所示，当水流速度小于0.1m/s时,探头温度变化降低较快，该流速量程，测量精度较高.由于CFD方法仅能计

17、算有限种类的模型.如能获得任意水流速度、探头直径条件下探头温度与水流速度之间的对应关系,即可获得任意型号探头的测量值。采用遗传算法对CFI)方法计算结果(图4)进行拟合.获得了探头温度丁与水流速度V及探头直径D之间的修正方程："=例+InV+pa1子D+In'V+例D+6D3,)1+色InV+例ln2V4-A.ln3V+pl0D式中ip=4.682,p2=0.248,/>3=0.58,四=0.464,p5=1.659,例=0.143,9=0.655.例=0.174,/>9=0.006,加=0.715.将水流速度和探头直径代入方程(1)，计算出对应水流速度条件下探头

18、温度，为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系.3结论本文设计了一种基于MEMS技术的在线流速测址仪.通过CFD方法对其在不同水流速度和探头直径条件下进行了数值计算.采用遗传算法对计算结果进行拟合，获得计算方程.应用方程可获得任意气流速度和探头直径条件下探头的温度.为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系.得到以下结论。(1) 本文设计了3种探头直径3、4和5mm的流速仪。(2) 探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小.随着探头外经的增加而减小.当水流速度小于0.1m/s时，探头温度变化降低较快，该流速量程，测址精度较高。(3) 运用遗传算法获得了探头温度计算公式.将水流速度和探头直径代入公式，计算出对应水流速度条件下探头温度，为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系。(4) 热式水流速仪较目前主流流速仪测量设备具有小微流速测址精度高、成本比现有的设备低、不受环境温度影响等特点。参考文献：1 金幅一.流速仪信号采集系统设计J.水文.2016,36(1):88-92.2 物红玲，马树升.张加义.超声波法与流速仪法在明梁测流中的比较研究J.山东农业大学学报(自然科学版).2008,39(2):301-304.3 吴大军.唐根.锡嫌姗.基于技术新型湿度传感器的研制J.MEMS与传感器,2013,50(9).570-575.4