基于PVDF压力传感器的三维流速仪的流速模拟分析

孔维伟，贾妍，卢娜

（郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001）

0 引言

水流的速度可以反映水流的动态变化，测量水流流速是水文信息采集中的重要内容。利用PVDF压力传感器的传感原理来测水流的速度[1]，既可以满足测量精度的要求，又能降低装置造价[2]，但对于装置的可行性仍需进一步研究。本文利用Fluent流体仿真软件来模拟该装置在流场中的测速结果，根据模拟得到的结果来分析装置的可行性。

1 装置模型

三维流速仪模型由三个主要部分组成：六根中空管、一个中空球、六个PVDF压力传感器。其中，中空管内径为d1=50mm，外径为d2=55mm，长度为l=100mm；中空球内径为d3=100mm，外径为d4=105mm。在中空管和中空球交接处放置有传感器。本模型采用Solid Works 2020软件进行3D建模[3]。

2 软件参数设置

2.1 模型建立

利用Fluent软件设置外流场，以此模拟实际明渠水流的流动情况。本模拟设置的外部流场尺寸为400×400×800mm。

2.2 网格划分

将设置好的外流场导入Fluent Flow Meshing模块进行网格划分，本模拟采用四面体网格，划分的网格数为74457个，经检查网格质量良好，外流场的网格划分结果如图1所示。

图1 外流场网格划分剖面图

2.3 求解计算

水流沿x轴正方向流动，流体为连续相，湍流模型选用瞬态流场。进口流速分为四组，分别为v0=1m/s、2m/s、3m/s、4m/s，计算每组六个面的压力变化情况，计算时长为1秒。

3 模拟结果分析

当进口流速为1m/s时，模拟得到传感器处的压力变化曲线如图2所示。对流速仪作xOy剖面和yOz剖面，得到传感器处的压力云图如图3所示。

图2 外流场流速为1m/s时的压力传感器处的压力变化曲线

图3 xOy剖面（左）和yOz剖面（右）上传感器处的压力云图

根据图2和图3模拟的结果显示，迎水面受到水流的压力为正值，背水面受到的压力几乎为0，其他四个面受到的压力基本一致且为负值，此模拟结果与实际情况较为符合。

通过Fluent软件模拟，得到待测点各面受到水流的撞击压力，根据传感器处的压强和外流场流速的关系[4]，即：

可计算得到待测点处三维坐标下的分速：沿x轴正向v1、沿x轴负向v2、沿y轴正向v3、沿y轴负向v4、沿z轴正向v5、沿z轴正向v6、的速度分别为：0.74m/s、-0.30m/s、-0.72m/s、-0.75m/s、-0.75m/s、-0.75m/s，再进行速度矢量合成，即：

得到待测点的实际流速为：0.82m/s，与设置的外流场流速接近。

设实际速度方向与xOy面、yOz面和zOx面的夹角分别为：α、β、γ，增设外流场流速分别为2m/s、3m/s、4m/s时测速的结果，得到实际流速如表1所示。

表1 实际流速的大小和方向

根据表1显示，外流场速度与矢量合成得到的速度相差均小于15%，说明模拟的结果较好，该新型流速仪的测速可以实现[5]。

4 结语

本文利用Fluent流体仿真软件对设计的新型流速仪进行测速模拟，通过设置求解参数，得到水流待测点六个面所受到的压力变化过程，结合压力和速度的关系进而得到流速的变化过程，再通过矢量合成得到待测点的实际流速，通过计算得到的实际流速与设置的外流场速度相比，得到模拟的结果与实际相符合。