基于CFD的差压式气动量仪主、测喷嘴流场分析及参数优化.pdf

2 0 1 2年 6月 第 4 0卷 第 1 1期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u n ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 1 ． 0 1 1 基于 C F D的差压式气动量仪主 、测喷嘴流场分析及参数优化 宁会峰 ，杜敏娟 ，龚俊 ，李昊 兰州理工大学机 电工程学院数 字制造技术与应用省部共建教育部重点 实验 室，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要提出一种基于 C F D的差压式气动量仪主、测喷嘴流场分析方法，通过气体流动速度云图及压力云图直观地分析 气体流动状态，为其参数优化提供依据。绘制差压气路特性曲线，对气动变换环节的各主要参数进行优化。该方法为差压 式气动量仪的设计提供了参考。 关键词C F D；差压气路；流场分析；参数优化 中图分 类号 T H1 3 8 ． 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 1 0 3 6 4 Ana l y s i s o f t he Fl o w Fi e l d i n th e Lo r d a nd M e a s ur i ng No z z l e s a nd Pa r a me t e r Op t i mi z a t i o n o f th e Di ffe r e nt i a l Pr e s s ur e Pne u ma t i c Ga ug e Ba s e d o n t he CFD N I N G H u i f e n g 。D U Mi n j u a n ，G 0 N G J u n ， L I H a o K e y L a b o r a t o r y o f D i g i t a l Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n ， T h e Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ， S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c a l En g i n e e r i n g，La n z h o u Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o gy ， L a n z h o u Ga n s u 7 3 0 0 5 0．C h i n a Ab s t r a c t T h e fl o w f i e l d a n a l y s i s me t h o d a b o u t o f t h e l o r d，me a s u ri n g n o z z l e s o f d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e p n e u ma t i c g a u g e wa s p r o p o s e d b a s e d o n CF D．T h r o u g h t h e g a s fl o w s p e e d c o n t o u r a n d p r e s s u r e c o n t o u r ，g a s fl o w c o n d i t i o n w a s a n a l y z e d t o p r o v i d e b asi s f o r t h e p a r a me t e r s o p t i mi z a t i o n ．T h e c h a r a c t e ris t i c c u r v e s o f d i ff e r e n t i al p r e s s u r e g a s p a t h w e r e ma p p e d，a n d t h e ma i n p a r a me t e r s i n p n e u ma t i c t r a n s f o r m l i n k we r e o p t i mi z e d ．T h i s me t h o d p r o v i d e s t h e o r e t i c al r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f d i f f e r e n t i al p r e s s u r e p n e u ma t i c g a u g e ． Ke y wo r d s C F D；Di ff e r e n t i al p r e s s u r e g a s p a t h；F l o w f i e l d a n a l y s i s ； P a r a me t e r o p t i mi z a t i o n 气动测量 是一种非接触式测量 ，精度高、测 量力小、对被测工件有 自洁作用 ，不受工件表面材质 的影响。该方法以压缩空气作为介质 ，利用空气在管 道中的流量或压力随喷嘴与被测工件之间的间隙不同 而改变 的特性 ，将 尺寸量或位移量转化为流量变化或 气压变化信号，从而实现测量。但是由于喷嘴尺寸较 小，且基于此小尺寸的空气射流情况复杂，气动测量 中主 、测喷嘴孔径 等参数 的配 比选 择一 直是个 难点 。 而主 、测喷 嘴的孔径 配比又对测 量的精度和灵 敏度有 巨大影响，因此对差压式气路流场进行分析，优化气 动测量中的主、测喷嘴孑 L 径等参数对于气动测量来说 意义重大。通过建立气动量仪参数设计的理论模型， 利用C F D软件强大的流场分析、流场计算和流场预 测等功能可 以分析并且 显示发生在流场 中的现象 ，在 比较短的时间内，能预测模拟对象性能，并优化各种 参数 。 1 差压式气动测量的基本原理 1 ． 1 差压 式 气路 系统 目前 ，气动在线检测系统中普遍采用背压式和差 压式两种测量方法 。单纯压力式测量有它 的缺点 ，即 对气源要求过高 ，否则当喷嘴与工件之间的距离改变 时，气源压力一旦发生波动，工作压力就会发生变 化 ，从而造成测量误差 ，破坏量仪 的稳定性 。而 采用差压式测量就可解决这一问题 ，并能改善量仪的 性能 。所 以作者采用差压式测量技术 。 差压式气动测量气路原理 图如图 1 所示 。 1 一 气源2 一 过滤 器卜进 气 阀4 一 稳压 器5 、6 --节 流 孔 8 一调节 阀 9 一喷 嘴 挡板 机构l 0 一硅 压 阻差 压传 感 器 图 1 差压式气动测量气路原理图 由气源 1 来的压缩空气经过滤器 2 、进气 阀3和 稳压器 4后，具有恒定的压力P ，分为两路流动一 路经节流孔 6通过喷嘴挡板机构 9流入大气，另一路 经节流孔 5通过可调节 阀 8流人大气⋯ 。显然测量 气 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 0 6 基金项 目国家科技重大专项 2 0 1 0 Z X 0 4 0 0 0 1 1 8 1 作者简介宁会峰 1 9 7 7 一 ，男，博士研究生，讲师，主要从事数控珩磨机、特种装备及其控制方面的研究。通信作者 杜敏娟 ，E ma i l d u m i n j u a n 2 0 0 8 1 6 3 ． c o n。 第 1 1 期 宁会峰 等基于 C F D的差压式气动量仪主、测喷嘴流场分析及参数优化 3 7 路由两个背压气路 调零腔和测量腔组成 ，测量 时两个背压气路处于相同的环境压力和温度下 ，使 外界环境 压力、温度和湿度等对测量的影响降 到最小 ，测量精度高、稳定性好 ] 。两腔压力之差 为 卸 p 一 P △ p s 式 中 P 为调零腔压力 ； P 为测量腔压力 。一般可 调 节流 阀在测量 前调 节好 背 压 P 。 之后 在测 量 过程 中是 不变的，即P 是个常数。而测量腔压力 P 则随测量 间隙S 的改变而变化。用硅压阻差压传感器 l 0检出 △ p ，作为被测信号 ，经放大后输 出就可测得被测参 数 s 的大小 。 1 ． 2差压式气路数 学模型 如图 2所 示 ，稳 压后 压力 为 P 的压 缩 空气 进 入 稳压气 室 1 ，经主喷嘴 2进 入测量 气室 3后 ，由测量 喷嘴4和挡板 被测工件表面之间的间隙流人大 气。差压式传感器 5测得的差压 △ p 与测量喷嘴挡板 之 间间隙 S 的函数关 系为 卸 p 一 P S 1 l 一 稳压气 室 2 一 主喷 嘴 } _测量气 室 4 一测量 喷嘴 差 压式传感 器 图2 差压式气动测量气动变换环节 由流体力学原理知，主喷嘴和测量喷嘴的气体流 动 状态有 4种工 况 ，见 表 1 。 表 1 主 喷嘴和测量喷嘴工况表 ⋯ 根据流体力学知识 ，通过某截面的亚临界状态的 流量公式力之差为⋯ F ． 磊 通过某截面的临界状态的流量公式 为 G N ／ 2 g k 3 卸 ㈩ { 1 【 2 一 “ ” ‘ A P P c - 0 ． 5 0 ． 5 1 4 】 ” ㈤ P P c - P c [ o ． s o - 5 1 4 ㈤ ⋯ c 。 譬 ； 曰 侣 ／ ； 第 l 1 期 宁会峰 等基于 C F D的差压式气动量仪主、测喷嘴流场分析及参数优化 3 9 为变主 、测喷嘴 的孔径特性 曲线 图。 0 ． 2 0 ． 1 0 ． 1 司 0 ．0 0 0 ． O 5 0 ． 1 0 0 ． 1 5 s ／ l Unl 图6 变主、测喷嘴的孔径特性曲线图 从特性曲线图可以看出主测喷嘴不同尺寸参数 搭配时 ，其结果体现出较强的规律性。具体总结如 下测量喷嘴孔径越大 ，则线性范围越大，但灵敏度 降低 ；主喷 嘴孔径越小 ，灵 敏度越大 ，但线性范 围越 小 ；主喷嘴孔径与测量喷嘴孑 L 径越接近 ，特性曲线线 性范围越宽，而特性曲线 的变换倍率或分辨率较小 图中表现为曲线倾斜程度 ，尤其在线性段部分。 当测量喷嘴孔径等于主喷嘴时，可以取得灵敏度和线 性范围的最佳点。 通过仿真 的方法 ，初步 找到了主 、测 喷嘴孔径参 数搭配的规律。按照上述规律，根据仿真结果，可以 将主 、测 喷 嘴 的孔 径 参数 优 化 设 计 为 0 ． 5 m m搭 配 0 ． 5 m m，此时 ，可 以取 得灵 敏度 和 线性 范 围 的最佳 点。 4小 结 建立差压式气动量仪参数设计的理论模型，利用 C F D软件进行流场分析，绘出了差压 △ p随挡板 间隙 变化的关系 曲线 图 ，并且优 化 了主 、测喷嘴 的结 构 参数，为设计者提供了可靠的参考数据。 参考文献 【 1 】刘玉初． 气动量仪[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 1 ． 【 2 】王凤伟， 张辉 ， 邓善熙， 等． 微纳米级差压式气针传感器 的研制[ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 9， 3 0 2 4 1 6 4 2 0 ． 【 3 】Z h a n g H u i ， C h e n S h a n ， D e n g S h a n x i ， e t a 1 ． U l t r a p r e c i s i o n a i r - p i n s e n s o r a n d i t s d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c r e s e arc h [ c 3 ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 4 1 s t S I C E An n u a l Co n f e r e n c e， 2 0 0 2 21 5021 5 5． 【 4 】陈红玲， 张银喜 ， 郭燕莹． 粘结磁性磨料的研究 [ J ] ． 太 原理工大学学报 ， 2 0 0 1 ， 3 2 5 5 3 3 5 3 5 ． 【 5 】陈名海， 刘宁， 许育东． 金属／ 陶瓷润湿性的研究现状 [ J ] ． 硬质合金， 2 0 0 2 ， 1 9 4 1 9 9 2 0 5 ． 【 6 】N i k o l a T a n a s i ； G o r a n J a n k e s a n d H k o n S k i s t a d ． C f d a n a l y s i s and a i r fl o w me a s u r e m e n t s t o a p p r o a c h l arg e i n d u s t r i a l h a l l s e l l - e r g y e ffic i e n c y A c a 3 e s t u d y o f a c a r d b o a r dm i l l h a l [ J ] ． E n e r g y and B m l n g s ， 2 0 1 1 ， 4 3 6 1 2 0 0 1 2 0 6 ． 【 7 】 韩 占忠， 王敬 ， 兰小平． F l u e n t 流体工程仿真计算实例与 应用 [ M] ． 北京 北京理工大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 上接 第7 6页 示 ，舵机的工作极限值设置等。其测试界面，如图 6 所示 。 图6 舵机测试界面图 5结 论 文中的舵机总体结构中采用了差动周转轮系运动 合成方式 ，有效地解决了负载不均衡时带来的力纷争 问题 ，使舵机控制系统的可靠性提高。2个余度通道 电气部分完全相 同，都能独立完成控制任务，实现 了完全电气余度 ， 其中一个通道中的任何部件发生 故障，舵机系统仍能正常运行。采用了可靠性和实时 性高的 C A N通讯方式，使两余度间的切换迅速、准 确。实验测试表明，该双余度控制系统控制精确 ，余 度可靠 。 参考文献 【 1 】马瑞卿， 刘卫国， 杨永亮． 双余度无刷直流电动机的建模 与余度控制技术[ J ] ． 微特电机， 2 0 0 8 7 3 2 3 4 ． 【 2 】赵慧 ， 张婷婷． 一种基于 F P G A的舵机伺服系统设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 6 5 9 6 2 ． 【 3 】 刘小雄， 章卫 国． 电传飞行控制系统的余度设计技术 [ J ] ． 飞机设计， 2 0 0 6 1 3 5 3 8 ． 【 4 】 周元钧 ， 赵运坤， 葛云海． 复合式余度机电作动系统容错 控制与性能分析[ J ] ． 北京航空航天大学学报， 2 0 0 8 ， 3 4 3 2 8 52 8 9 ． 【 5 】 王小平 ， 董新民， 杜秦颖 ， 等． 某型飞机电传操纵系统四 余度电液舵机模拟器设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 4 9 71 0 0 ． 【 6 l 陈粤初． M o t o ro l a 单片机及专用集成芯片应用系统设计 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 1 9 9 4 ． 【 7 】申功璋 ， 张瑞． 飞行控制系统余度方案设计的决策支持 系统[ J ] ． 北京航空航天大学学报， 1 9 9 9 ， 2 5 3 3 6 3 3 6 5．