靶式流速计及其在坐便器水包流速测量中的应用.docx

1、测'l;与设备靶式流速计及其在坐便器水包流速测量中的应用广东省十五重大科技专项支持，编号A10402011胡建国微孙友松I潘晓涛I刘易凡I朱铮涛I章争荣1(1.广东工业大学，广州510640；2.顺德职业技术学院，顺德528300)摘要根据郭式流量计的工作原理，自行设计了用于测量坐便器冲水过程水包壁面流速的应变式流速计。在靶杆外增加套筒,使流体作用面积恒定，消除了测量深度对精度的影响。该流速计结构简单，动态响应好。将该流速计用于坐便器冲水过程水包流速测量，有很好的重复性，测蚩结果与数值模拟能较好地吻合。关询坐便器;流速;测量;靶式流速计动态应变仪PC机0引言坐便器冲水过程是时间很短的(

2、4s5s)非恒定流动过程，为了验证坐便器冲水过程数值模拟结果的准确性,需测景:坐便器水包壁面某些特征点的动态流速，并与数值模拟得到的速度曲线对比。目前，工程上用于测量流速的方法很多，如CCD法、超声波法、热线爆法、激光多普勒法及靶式测速法等。对于测景水包壁面特征点的流速,CCD法响应速度快(毫秒级),但存在无法辨别粒子在流场中深度的缺点;超声波法尚不能测景水包这类具有自由表面的非封闭管道内的流速;热线彼法由于热容滞后，响应速度太慢，不适合测量非稳态流动;激光多普勒法动态响应快、不影响流场，但价格昂贵。本文采用结构简单、准确度和灵敏度高、能动态测量的靶式测速法。根据靶式流量计的工作原理，自行设计

3、制造了应变靶式流速计。针对某型号坐便器的冲水过程，对水包中若干特征点的流速进行了实际测量。测量结果表明，靶式流速计结构简单、动态响应好、测景结果准确，不但能与数值模拟的结果较好地吻合，而且有很好的重复性。1应变靶式流速计工作原理当流体流动时，流体的机械能由静压能和动压能组成,如果在流体流动方向上设置一个障碍物,则流体的动压能将转化为对于障碍物的作用力I，而流体的动压能E的大/卜决定于流速p和流体密度p,即：E=pv2(1)对于应变靶式流速计，流体作用在靶上的力由以下两部分组成：1) 流体对靶的冲击力及由于流束在靶后分离而产生的差压阻力；2) 流体流经靶时与靶面产生的粘滞摩擦力。对于水这样的黏度

4、很小的流体，在上述两项中，第一项力起主导作用，即：F=A#(2)式中：F为靶所受到的力；£为阻力系数，当雷诺数达一定值时,将趋于常数;A为靶的迎流面积;为流体在测量点的平均流速;p为流体密度。图1应变靶式流速计工作原理图2应变靶式流速计结构设计为准确地测出流场中某点的速度，消除测量深度对结果的影响，在靶杆外增设一套简，靶露出套筒测芋与设备的面积即为流体作用的面积。结构设计需考虑所测量程、套筒直径、靶杆截面、长度等，由此计算靶杆可能产生的挠度和应变片可能输出的应变值等。此外，尚需考虑防水性要求。最终得到如图2所示的应变靶式流速计结构。图2应变IE式流速计结构忽略流体粘滞性产生的摩擦力，

5、根据材料力学方法，可推导出应变靶式流速计测得的应变量与流体流速p的关系为：=Kv2(3)式中：K为与流体密度和流速计结构形状与尺寸有关的常数，可通过实验标定得到。3坐便器冲水过程水包流速测3.1测原理坐便器冲水过程属于复杂流道非稳定流动，其中，水包中的流动最为复杂。为验证数值模拟的结果，需对水包中的流速进行实际测童。为此,在水包壁选择了若干特征点，测重前在水包壁面上测量点处打孔，将流速计插入,靶面方向垂直于水流方向。靶面为矩形,与靶杆设计成连体形式,通过靶杆固定座和外套固定在水包壁上。靶杆后端两侧对称贴有两片电阻应变片，应变片上涂有软体防水胶，如图3所示。图4所示为应变靶式流速计测量系统,该系

6、统由应变靶式流速计、电桥盒、DH5935动态应变仪及信号测试分析系统等组成。本文在水包壁面上选取了3个特征点,测量时信号测试分析系统自动平衡电桥，应变片与电桥盒采用半桥接法,应变量通过动态电阻应变仪采集。采样频率为100Hz,采样方式为连续采样。图3坐便器水包流速测量信号测试分析系统DH5935动态应变仪冲落式坐便器图4坐便器流速测jft系统应变靶式流速计测得只是应变值，可根据式(3)计算速度值。对于靶式测速法，工程上常采用挂重法标定，但该法属于干法标定，准确度不高，本文采用实际流体介质标定，即在实验水槽中给定一组不同速度的稳态水流，然后依次用应变靶式流速汁测量该流速下的应变值。表1所示为标定

7、实验中的流速与对应的应变测量值。«1系数K的标定基于表1的数据以及初始条件次=Om/s、e=0,在数值软件Madab中拟合多项式：e=Kv2,流速v(m/s)0.290.531.001.40应变e64.81x10-6112.76x10-6220.45X10'6503.43x10-6求解出待定系数K=252.52。拟合后得到的速度-应变关系即为=252.52/。由实验测得的应变数据和上述标定出的速度-应变关系，即可得到实验测得的速度曲线图，3.2测结果图5所示为6L冲水量下实验测得的三组速度曲线图。从图5可以看出，三组数据中流速都是在0.5s以内快速达到1.7m/s,随着水箱中

8、水的势能的降低,流速逐渐减小,4s后整个水箱水冲完，可见，该应变靶图5实验得到的速度曲线3.3数值模拟与试验结果对比图6所示为通过实验测量和数值计算分别得到的水包壁面某点在冲水过程中的速度-时间历程对比图。从图中可以看出，两者的时间历程都在4s左右，在0.5s时刻流速都达到1.7m/s,到2.Os时刻，流速缓慢降低至1.4m/s;在2.Os3.0s时段，水包壁面流速都受到了水封水的影响，流速有所波动;3.0s以后，随着水箱中水位的降低，流速逐渐降低;在4s时刻,所有水流基本通过测试点。整个冲水过程中，两者在时间历程、速度大小以及速度的变化趋势上基本吻合，因此，试验结果在一定程度上验证了数值模拟的准确性。图6实验与模拟速度曲线对比4结论1）基于靶式流量计的流速测量装置具有动态响应好的优点，可用于非恒定流速度的测量；2）在靶杆上附加套筒，可以有效控制靶的受力面积，消除测量深度对测量精度的影响，提高速度测量的准确性；3）采用新设计的流速计成功地进行了坐便器冲水过程中水包流速的测最。测量结果表明，该应变靶式流速计具有很好的重复性,数值模拟结果与实测曲线能较好吻合。考文献1 苏彦附，盛键，梁国伟.流新与测试.北京:中国计出版社,1992,160-165蒋庆，物娜.应变IE式流景计的误差分析与对策.自动化仪表,2002（3）：1013旋进型旋