基于PVDF壓力傳感器的三維流速儀的流速模擬分析

孔維偉，賈妍，盧娜

（鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

水流的速度可以反映水流的動態(tài)變化，測量水流流速是水文信息采集中的重要內(nèi)容。利用PVDF壓力傳感器的傳感原理來測水流的速度[1]，既可以滿足測量精度的要求，又能降低裝置造價[2]，但對于裝置的可行性仍需進(jìn)一步研究。本文利用Fluent流體仿真軟件來模擬該裝置在流場中的測速結(jié)果，根據(jù)模擬得到的結(jié)果來分析裝置的可行性。

1 裝置模型

三維流速儀模型由三個主要部分組成：六根中空管、一個中空球、六個PVDF壓力傳感器。其中，中空管內(nèi)徑為d1=50mm，外徑為d2=55mm，長度為l=100mm；中空球內(nèi)徑為d3=100mm，外徑為d4=105mm。在中空管和中空球交接處放置有傳感器。本模型采用Solid Works 2020軟件進(jìn)行3D建模[3]。

2 軟件參數(shù)設(shè)置

2.1 模型建立

利用Fluent軟件設(shè)置外流場，以此模擬實際明渠水流的流動情況。本模擬設(shè)置的外部流場尺寸為400×400×800mm。

2.2 網(wǎng)格劃分

將設(shè)置好的外流場導(dǎo)入Fluent Flow Meshing模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本模擬采用四面體網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格數(shù)為74457個，經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量良好，外流場的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 外流場網(wǎng)格劃分剖面圖

2.3 求解計算

水流沿x軸正方向流動，流體為連續(xù)相，湍流模型選用瞬態(tài)流場。進(jìn)口流速分為四組，分別為v0=1m/s、2m/s、3m/s、4m/s，計算每組六個面的壓力變化情況，計算時長為1秒。

3 模擬結(jié)果分析

當(dāng)進(jìn)口流速為1m/s時，模擬得到傳感器處的壓力變化曲線如圖2所示。對流速儀作xOy剖面和yOz剖面，得到傳感器處的壓力云圖如圖3所示。

圖2 外流場流速為1m/s時的壓力傳感器處的壓力變化曲線

圖3 xOy剖面（左）和yOz剖面（右）上傳感器處的壓力云圖

根據(jù)圖2和圖3模擬的結(jié)果顯示，迎水面受到水流的壓力為正值，背水面受到的壓力幾乎為0，其他四個面受到的壓力基本一致且為負(fù)值，此模擬結(jié)果與實際情況較為符合。

通過Fluent軟件模擬，得到待測點各面受到水流的撞擊壓力，根據(jù)傳感器處的壓強和外流場流速的關(guān)系[4]，即：

可計算得到待測點處三維坐標(biāo)下的分速：沿x軸正向v1、沿x軸負(fù)向v2、沿y軸正向v3、沿y軸負(fù)向v4、沿z軸正向v5、沿z軸正向v6、的速度分別為：0.74m/s、-0.30m/s、-0.72m/s、-0.75m/s、-0.75m/s、-0.75m/s，再進(jìn)行速度矢量合成，即：

得到待測點的實際流速為：0.82m/s，與設(shè)置的外流場流速接近。

設(shè)實際速度方向與xOy面、yOz面和zOx面的夾角分別為：α、β、γ，增設(shè)外流場流速分別為2m/s、3m/s、4m/s時測速的結(jié)果，得到實際流速如表1所示。

表1 實際流速的大小和方向

根據(jù)表1顯示，外流場速度與矢量合成得到的速度相差均小于15%，說明模擬的結(jié)果較好，該新型流速儀的測速可以實現(xiàn)[5]。

4 結(jié)語

本文利用Fluent流體仿真軟件對設(shè)計的新型流速儀進(jìn)行測速模擬，通過設(shè)置求解參數(shù)，得到水流待測點六個面所受到的壓力變化過程，結(jié)合壓力和速度的關(guān)系進(jìn)而得到流速的變化過程，再通過矢量合成得到待測點的實際流速，通過計算得到的實際流速與設(shè)置的外流場速度相比，得到模擬的結(jié)果與實際相符合。