一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪

技术领域

本发明涉及流速检测技术领域，尤其涉及一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪。

背景技术

现有的流速仪和流速测量技术多种多样，但大多为让流体完成某一物理过程后通过计算分析该过程，给出过程中平均流速。难以完成在流体流速变动频率较大、对流速测量的瞬时性要求较高的情况的测量。

目前科研工作所用的声学流速仪器件及操作复杂，携带不方便；市面上最常见的转子式流速仪成本较高，对日常生活及考察工作的流速测量造成较大的局限。

现有技术中的压力传感器流速仪测量精度较低，难以测量低速水流，难以精确测量高速水流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪，可以直接测量瞬时流速，并保证较高的测量精度，且杠杆系数可调，最大程度上放大流速仪的量程。

本发明实施例提供了一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪，所述管流速仪包括：

流速感应装置，其包括作为迎流部的第一圆锥及作为背流部分的第二圆锥，所述第一圆锥、第二圆锥底部扣合，且大小、材质相同；所述流速感应装置是基于Fluent数值模拟得到的；

压力传递装置，所述压力传递装置将流速感应装置输出的压力放大并传递给压力感应装置；

压力感应装置，所述压力感应装置用于接收压力传递装置传递过来的压力信号并将其转化为电阻信号；

电压输出装置，其设于底板上，所述测阻电路将压力感应装置的电阻信号转化为电压信号并由所述数字电压表可视化输出。

可选地，所述流速感应装置在水中时，两圆锥顶点的连线与水流方向一致，迎流部分接受水流的冲撞。

可选地，所述压力传递装置包括：

水下传递杆，其与所述流速感应装置连接；

水上传递杆，所述水上传递杆的一端与所述水下传递杆连接；

换挡组件，其用于高速挡与低速挡的转换；

施压部，其包括与所述水上传递杆一端连接的第一杆，及横向配置连接所述第一杆的第二杆。

可选地，所述换挡组件包括：

轴承，其设于所述底板上；

固定针，以及一面镂空的钢球，所述水上传递杆通过固定针穿孔插入所述轴承，并通过所述钢球固定。

可选地，所述压力传递装置还包括：

传感器保护部，所述传感器保护部配置于所述第二杆的两端。

可选地，所述压力传递装置为薄膜压力传感器。

可选地，所述电压输出装置包括：

测阻电路、电路盒、电路开关、数字电压表，

其中，所述电路盒为密闭塑料方盒，内含有测阻电路中的大部分导线、电路开关和数字电压表置于电路盒外，所述电路盒可通过底板上的滑道上下滑动。

可选地，所述测阻电路包括：

电源，定值电阻、薄膜压力传感器、电压表，

所述定值电阻与所述电压表并联后与所述薄膜压力传感器串联，所述电源包括电压升压转换模块。

可选地，所述流速仪还包括：

固定组件，其包括配置于底板上的三个等距离排列的可旋转的三角体，两两发挥作用以固定住电路盒，并保持薄膜压力传感器与所述第二杆相接触。

可选地，所述流速仪还包括：

水泡球，其为一透明玻璃水球，内含小气泡，流速仪位置摆放得当时，小气泡位于玻璃球最上方，以此来调整流速仪的恰当方位；

支架，根据所述水泡球的指示调整所述支架。

有益效果

本发明提出了一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪，包括流速感应装置，其包括作为迎流部的第一圆锥及作为背流部分的第二圆锥，所述第一圆锥、第二圆锥底部扣合，且大小、材质相同；所述流速感应装置是基于 Fluent数值模拟得到的；通过所述压力传递装置将流速感应装置输出的压力放大并传递给压力感应装置；通过所述压力感应装置用于接收压力传递装置传递过来的压力信号并将其转化为电阻信号；所述测阻电路将压力感应装置的电阻信号转化为电压信号并由所述数字电压表可视化输出。可以直接测量瞬时流速，并保证较高的测量精度，且杠杆系数可调，最大程度上放大流速仪的量程，所述流速仪体积小，质量小，便于携带。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪中流速感应装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪中压力传递装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪中压力传递装置的主视图；

图4为本发明实施例的一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪中压力传递装置的右视图；

图5为本发明实施例的一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪的立体结构示意图；

图6为本发明实施例的一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪的左视图及右视图；

图7为本发明实施例的一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪的电压输出装置测阻电路图；

图8为本发明实施例的一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪的立体结构示意图。

图中：1、流速感应装置；2、水下传递杆；3、水上传递杆；4、固定针；5、钢球；8、轴承；9；施压装置；91、第一杆；92、第二杆；10、传感器保护装置；12、电路盒；13、电路开关；14、滑道；15、电路盒固定装置；16、底板； 17、水泡球；18、数字电压表；19、第一支架连接装置；20、第二支架连接装置2；21支架.

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平 "、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二 "的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的主要原理在于流速转化为压力、压力转化为电信号、电信号输出三步，“流速转化为压力”依据的是数值模拟技术，用到的具体工具为Fluent，具体原理为数值模拟解“粘性流体的运动方程”(以下称“N-S方程”)。依靠电子计算机，结合有限元的概念，将工程模型建立网格分割成多个计算机可解的小区域，分别对每个区域进行所需物理量的迭代运算求解，再计算小区域组成的整体的物理量，达到对工程问题和物理问题研究的目的。

进行数值模拟的工具为Fluent，它凭借物理模型、数值方法和前后处理功能解决本问题。在足够多个工况下模拟不同流速下“感应物体”所受流体给予的压力的大小并拟合成函数关系，可以得到流速-压力关系。“感应物体”的材料和形状需要经过多次模拟实验及实测实验综合选择。

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

本发明实施例提供了一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪，所述管流速仪包括：

流速感应装置，其包括作为迎流部的第一圆锥及作为背流部分的第二圆锥，所述第一圆锥、第二圆锥底部扣合，且大小、材质相同；所述流速感应装置是基于Fluent数值模拟得到的；需要说明的是，所述流速感应装置可以一体成型；

压力传递装置，所述压力传递装置将流速感应装置输出的压力放大并传递给压力感应装置；

压力感应装置，所述压力感应装置用于接收压力传递装置传递过来的压力信号并将其转化为电阻信号；

电压输出装置，其设于底板上，所述测阻电路将压力感应装置的电阻信号转化为电压信号并由所述数字电压表可视化输出。

本实施例提出了一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪，包括流速感应装置，其包括作为迎流部的第一圆锥及作为背流部分的第二圆锥，所述第一圆锥、第二圆锥底部扣合，且大小、材质相同；所述流速感应装置是基于 Fluent数值模拟得到的；通过所述压力传递装置将流速感应装置输出的压力放大并传递给压力感应装置；通过所述压力感应装置用于接收压力传递装置传递过来的压力信号并将其转化为电阻信号；所述测阻电路将压力感应装置的电阻信号转化为电压信号并由所述数字电压表可视化输出。可以直接测量瞬时流速，并保证较高的测量精度，且杠杆系数可调，最大程度上放大流速仪的量程，所述流速仪体积小，质量小，便于携带。

具体地，所述流速感应装置，即没入水中感受流体冲击并向下一部分传递流体所给的压力的装置；需要说明的是，流体的流动状态分层流和湍流两种，层流流体冲向某一物体，在其后方有可能形成计算原理更为复杂误差更大的湍流。

具体地，在一种实施例中，如图1所示，双圆锥流速感应装置由左半部的迎流部分和右半部的背流部分组成，两部分形状及材质完全一样，均为底面半径r＝0.5mm，高h＝10mm的圆锥。在水中，两圆锥顶点的连线与水流方向一致，迎流部分接受水流的冲撞。需要说明的是，以上尺寸只是作为一种优选的实施例，具体尺寸不做限定；

本实施例以底面半径r＝0.5mm，高h＝10mm的圆锥双圆锥流速感应装置所受水的压力记作F

将双圆锥模型置于流体中，因两侧锥面都与流体接触，双圆锥模型受到的压力为两侧压力之差，即：

p＝p

而双圆锥两面对称，静水压为零。

计算动态流体压力多以动量方程求解，即：

其中，

将受力曲面分为多个微元，动量方程可以以N-S方程形式写出，用程序模拟计算出每个微元的受力，求和即得到每个曲面所受压力，两个面受力作差得到双圆锥模型所受动态流体压力。

具体地，F

利用Fluent分析法，假设流体为近水流体，密度ρ＝1000kg/m3，粘性系数μ＝1.0087cP，流速v(0.1m/s≤v≤10m/s)。

1).网格划分：计算域采用标准非结构化四面体网格进行划分,近壁处采用加密处理,远壁处相对稀疏,而在纺锤体附近的区域进一步加密网格，为保障较高的准确度，双圆锥网格划分总量为1500000。

2)设置数值方法：整个计算域为160mmx80mm的矩形区域，流场左侧及上下两侧均设置为速度入口边界(velocity-inlet)，流场的右侧设置为压力出口边界(pressure-outlet)，弹体的表面均为无滑移的壁面。由于该计算模型为单相流计算，因此采用单相模型计算。在湍流状态下,还需要设置各个边界变量的湍流状态,计算中采用k-e湍流模型，需设置湍流强度和湍流粘性比，其中入口处与出口处的湍流强度设置为0.5，湍流粘性比设置为1。调整FLUENT中松弛因子大小，使计算结果易于收敛。为了适合大雷诺数流动计算，压力变量插值采用PRESTO方法,压力速度耦合选择SIMPLIC方法，动量、体积比、k和e 的离散则采用一阶迎风格式。

3).数值模拟：输入外流场流速0.1m/s,0.2m/s,0.3m/s,……,10m/s(共 100组)。模拟实验计算输出双圆锥模型迎力面和背流面所受的总阻力，记录实验结果并拟合，得到流速-压力关系为：

数值模拟时，利用Fluent提供的N-S模型直接对层流情景进行模拟，采用 k-e模型对湍流情景进行模拟，相关参数选择最优。双圆锥模型置于流体中，因两侧锥面都与流体接触，双圆锥模型受到的压力为两侧压力之差。以此可以在给定参数及流体流速条件下，得到双圆锥模型所受压力。

利用Fluent进行不同工况下分析，得到流速-压力对应关系，拟合得到流速-压力函数关系。在上述工况分析并拟合结果后，得到流速-压力关系为：

需要说明的是，上述实施例中，同双圆锥模型的规格设定，是作为当前情况下一种结果精准度较高的优选的实施例，具体参数设置也可在实际需要进行调整。

所述流速感应装置在水中时，两圆锥顶点的连线与水流方向一致，迎流部分接受水流的冲撞。

图2-4示出了本发明实施例提供了一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪的流速感应装置立体结构示意图、主视图及右视图。图5示出了本发明实施例提供了一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪的立体结构示意图，图6示出了本发明实施例提供了一种基于数值模拟和压力传感器的便携式流速仪的左视图和右视图，具体地，如图2-6所示，所述压力传递装置包括：

水下传递杆2，其与所述流速感应装置连接；水下传递杆2是压力传递装置中允许没入水中的部分，例如可以为矩形塑料片，下方连接双圆锥流速感应装置1这样的设计在保障2水下传递杆不易弯曲的前提下，以最小面积迎流，减小其对流体场的干扰，它的长度也决定了流速仪允许测速的最大深度。

水上传递杆3，所述水上传递杆3的一端与所述水下传递杆2连接；水上传递杆是压力传递装置中不允许没入水中的部分，例如可以为柱状塑料体，下方连接于水下传递杆2。

换挡组件，其用于高速挡与低速挡的转换；例如，所述换挡组件包括：

轴承8，其设于所述底板16上；固定针4，以及一面镂空的钢球5，所述水上传递杆3通过固定针4穿孔插入所述轴承8，所述固定针4可以在轴承中随意转动，并可以通过所述钢球5固定。固定针4作为整个压力传递装置的杠杆支点。杠杆的动力臂长与阻力臂长之比为杠杆系数，低速档转换装置运作时，杠杆系数较大，流速仪可以测量低速流体的流速。高速档转换装置运作时，杠杆系数较小，流速仪可以测量高速流体的流速。轴承8用于固定整个压力传递装置并最大限度减小摩擦损耗，辅助固定针4杠杆支点作用。

具体地，在一种实施例中，施压部9，其包括与所述水上传递杆一端连接的第一杆91，及横向配置连接所述第一杆的第二杆92。施压部9作为压力传递装置的最末端，压力信号放大传递至此，通过它向压力感应装置传递。

具体地，在一种实施例中，所述压力传递装置还包括：

传感器保护部10，所述传感器保护部配置于所述第二杆92的两端。所述传感器保护装置例如可以为方体塑料块，在施压部9左右两端处各焊接有一块，用于保护传感器，避免施压部9将压力传递给压力感应装置时，压强过大造成损伤。

具体地，在一种实施例中，所述压力传递装置为薄膜压力传感器。薄膜压力传感器的选择条件为灵敏度高，精准度高，量程大。

优选的，薄膜压力传感器型号为RP-C7.6LT-LF2，其测定范围为2g-1500g，结合压力传递装置，能够测量大部分情境下的流体流速。根据选择的薄膜压力传感器的规格，可以确定压力传递装置的最佳规格。

具体地，在一种实施例中，所述电压输出装置包括：

测阻电路、电路盒12、电路开关13、数字电压表18；

电压输出装置，即压力感应装置的配套测阻电路，将薄膜压力传感器的电阻信号转化为电压并由数字电压表可视化输出，电路盒例如可以为密闭塑料方盒，内含有测阻电路中的大部分导线、电源左侧粘有薄膜压力传感器11；电路开关13和数字电压表18置于电路盒12外，便于控制电路及读取电压数值。所述电路盒可通过底板16上的滑道14上下滑动。举例来说，电路盒滑道可以有两排金属制滑道组成，与电路盒12嵌合，允许电路盒12在其上滑动，以保证在低/高速档位转换装置运作时，薄膜压力传感器11能够一直与传感器保护装置10接触，接收来自压力传递装置的压力。

具体地，在一种实施例中，如图7所示，所述测阻电路包括：

电源，定值电阻R

所述定值电阻R

下面以一优选实施例对本发明的有益效果进行说明；

本实施例薄膜压力传感器R

其中2节18650锂电池与12V电压升压转换模块构成电源，电压表为较高精度的数字电压表，R

连接电路，通过实验测定给定压力下数字电压表示数，得到50组压力与电压的对应值，经过拟合得到压力-电压的函数关系为：

压力这一物理量经过了压力传递装置的放大传递，所以流速-压力函数与压力-电压函数中的压力并非相同的含义，二者之间有着杠杆系数倍数的关系。

结合力学装置实验所测的流速-压力函数关系、压力传递装置的规格、压力 -电压函数关系，得知待测流速与电压之间的直接关系：

低速档位流速，高速档位流速分别为：

本实施例中，高速档位杠杆系数λ为1，低速档位杠杆系数λ为59，本实施例的流速仪的具体规格：

双圆锥流速感应装置1，每个圆锥半径为5mm，高为10mm；

水下传递杆2的长度为125mm，宽度为5mm，厚度为0.8mm；

水上传递杆3的长度为167.5mm，底面圆半径为2.5mm；

高速档与水上传递杆3的连接点到3下端的距离为20mm；

低速档与水上传递杆3的连接点到3上端的距离为2.5mm；

第一杆91的长度为2.5mm；

第二杆92的长度为5mm。

具体地，本实施例中，所述流速仪还包括：

固定组件，其包括配置于底板上的三个等距离排列的可旋转的三角体15，两两发挥作用以固定住电路盒12，并保持薄膜压力传感器11与所述第二杆92 相接触。

具体地，本实施例中，如图8所示，所述流速仪还包括：

水泡球17，其为一透明玻璃水球，内含小气泡，流速仪位置摆放得当时，小气泡位于玻璃球最上方，以此来调整流速仪的恰当方位；

第一支架连接装置19，第一支架连接装置19为一上方镂空的金属球；所述第一支架连接装置19用于连接支架21；

具体地，支架21包括棒体及第二支架连接装置20；

第二支架连接装置20由两个弧形镂空金属球与两根金属棒以铰链形式组成，两个铰链允许转动的方向互相垂直，以此达到整体的全方位旋转，弧形镂空金属球以铰链形式连接于棒体，下方棒体可以插入到第一支架连接装置19；

在本实施例中，支架可以由四个相同部分组成，分别连接于第二支架连接装置20上，所述第二支架连接装置20由两个可伸缩金属棒与弧形镂空玻璃球以铰链形式连接。在一般的流速测定情况下不需要用到第二支架连接装置20 和支架21，当测量过程较长或测量水域面积较大，手持流速仪测量不方便时，使用第二支架连接装置20及支架21。

综上，本发明的有益技术效果：

1.便于操作、携带和移动：

本流速仪操作非常简便，只需打开开关→双圆锥浸入待测流体→调整水泡球→读数换算，为测量流速节省大量时间，连续测量多个地点的流速或多个时间点的流速不需调零，可直接使用；本流速仪体积小，质量小，便于携带。

2.灵敏度高，精准度高：

选定的RP-C7.6LT-LF2薄膜压力传感器灵敏度和精确度较高，再加上压力传递装置对压力的放大，将其灵敏度和精确度又提高数倍。此外，双圆锥流速感应装置及水下传递杆的迎流面积极小，很大程度上减小了装置本身对流体场的影响，测量准确度更高。

3.量程大：

设计的压力传递装置中包含能够控制低速档高速档转换的杠杆，在所展示的规格下流速量程为0.1243m/s-9.8497m/s，在实际生产和应用中，可以依据实际情况需求重新调整压力传递装置规格，改变流速量程。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。