微尺度迷宮型單元流道的製造及水力性能測試方法和裝置的製作方法
2023-04-28 02:47:16
專利名稱：微尺度迷宮型單元流道的製造及水力性能測試方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單元流道的設計及水力性能測試方法和裝置，特別涉及一種微尺度迷宮型單元流道的設計及水力性能測試方法和裝置。
背景技術：
微尺度流體力學是介於經典宏觀流體力學與微觀力學之間的研究領域，主要研究特徵尺度在mm至μm範圍內的流體流動規律。微尺度下迷宮型流道由於其邊界曲折能使流體發生紊亂，從而減小了壓力對流量的敏感性這一特性而得到廣泛應用，其單元流道水力性能參數的測量對研究微流體特性及其流道結構特性有很大作用。迷宮型灌水器就是一典型例子，其流道尺寸大都在mm級，灌水器流道一般由若干同一形狀(如三角形、梯形)的單元組合而成，根據灌水器流量的設計要求而選擇不同參數的單元結構及單元個數。因而，單元結構的設計及數量的選擇將會在很大程度上影響灌水器的性能。在其流量與工作水頭的計算公式中，流量係數k和流態指數x均與流道的結構有關。目前，對迷宮型灌水器進行試驗分析大都得出兩個性能參數之間的關係，即灌水器的流量Q和管路中的工作水頭H，由於水在灌水器出口處的壓力可以認為是大氣壓，故此時的工作水頭H在工程上一般近似為水流經過迷宮流道後的壓降ΔP流道，但如果要從理論上來精確研究迷宮流道的水力性能參數，則二者不能替換。由於工作水頭H包括了水流經過流道的壓降ΔP流道和流道的進出口局部損失ΔP損，對於這種微小流道的流動問題，進出口局部損失ΔP損已不能忽略。
對此項內容的研究，有部分學者曾提出一種基於灌水器流道的水力性能參數測試方法，即根據相似原理將流道尺寸同比放大若干倍，從而測出流道中的水流壓降或流場分布規律。他們採用此法的主要原因是因為灌水器的流道尺寸微小，無法將測壓點布在實際的流道當中，故將其放大處理。但如今越來越提倡小流量(Q＝0.5～3L/h)灌溉技術，灌水器的流道結構尺寸大都處在1mm以下，屬於微流道範疇。因而前面的做法就忽略了微流動理論中的一些基本問題，如流道的表面粗糙度將會更大程度地影響流體流動等。
發明內容
本發明的一個目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種製造工藝簡單的微尺度迷宮型單元流道的製造方法。
本發明的另一個目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種測量更精確，可根據測量結果研究出流道的各個結構尺寸對水力性能參數的影響程度的微尺度迷宮型單元流道水力性能測試方法和裝置。
為達到上述目的，本發明採用的微尺度迷宮型單元流道的製造方法為首先用三維造型軟體設計出微尺度迷宮型單元流道的CAD模型；其次按照通常的弦高和角度將CAD模型進行網格化處理，即生成三維多面體模型STL格式，然後將此格式模型導入通用RPdata軟體進行實體分層，即用一系列平行於XY平面，在Z方向有一定間距的平面來切割多面體模型，生成分層信息，每一層的邊界是由許多小線段組成；最後再對每一層片進行判別，區分實體及空域，實體部分為待掃描填充部分，此部分形成掃描矢量數據，生成控制成形機運動的數控代碼，將層面數據輸入SL成形機即可加工出測試件原型，最後將測試件進行清洗和固化處理即可。
本發明的微尺度迷宮型單元流道水力性能測試裝置包括高壓氣瓶以及與高壓氣瓶相連通的密閉水箱，其特點是，密閉水箱的出口通過管路依次串聯有相互連通的針型閥、轉子流量計和迷宮流道測試件，在迷宮流道測試件的出口處設置錐形燒杯，錐形燒杯放置在通過A/D轉換卡與計算機相連接的精密電子秤上，在迷宮流道測試件上還並聯有通過三通和A/D轉換卡與計算機相連的差壓變送器；高壓氣瓶與密閉水箱之間還設置有減壓閥；密閉水箱與針型閥之間還依次設置有相互連通的球形閥和過濾器；轉子流量計為玻璃轉子流量計。
本發明的微尺度迷宮型單元流道的水力性能測試方法為首先設計兩個流道截面形狀和大小都一樣的直流道測試件1和2，試件1和2的流道長度分別為L1和L2，L2＞L1，採用同一接頭，分別將兩測試件接入微尺度迷宮型單元流道水力性能測試裝置中，由串聯在試件上的差壓變送器測出若干同一流量值下的壓降ΔP1和ΔP2，那麼連接測試流道接口的進出口局部損失之和為 所以，由流道產生的壓降ΔP流道＝ΔP-ΔP損由流動理論可知流體的雷諾數Re=uDh=QDhAc]]>式中，ρ為流體的密度；u為流體的平均速度；Dh為流道的當量直徑；μ為流體的動力粘度；Q為體積流量，由精密電子秤測量出某一段時間試件[9]流入錐形燒杯內的水的質量M，從而換算成體積流量Q；Ac為流道的截面面積；然後根據經典理論的壓降公式
P=flDu2]]>由於流道為迷宮型，故採用當量達西摩擦阻力係數來代替沿程摩擦阻力係數 式中，lc為單元流道的邊界中心長度，n為單元流道的個數；如用X表示迷宮型流道的形狀參數，則當量摩阻係數fc就是X的函數，fc＝f(X)因而流量Q與壓降ΔP流道之間的關係 根據給定的流道結構和壓降數值即可得到灌水器的流量。
由於本發明是基於灌水器流道的原型尺寸，採用快速成型工藝快速地製造出實物零件，並將此實物零件接入試驗裝置，通過精密電子秤某一段時間的質量流量，將此質量流量換算成體積流量，再通過串聯在實物零件的差壓變送器的高低壓入口，得到壓降ΔP，這種基於單元流道的測試方法，所測量的參數比以往的方法更精確，據此可以研究出流道的各個結構尺寸對水力性能參數的影響程度，並回歸出相應的關係式，為迷宮型灌水器的流道結構設計提供理論依據。
圖1是本發明迷宮型灌水器單元流道的水力性能參數測試裝置示意圖；圖2是迷宮流道測試件9的結構示意圖，其中圖2a是其CAD外形圖，圖2b是三角形流道的CAD剖面圖，圖2c是梯形流道的CAD剖面圖，圖2d是圓弧形流道的CAD剖面圖；
圖3a是迷宮流道測試件的製造工藝流程圖，圖3b是基於SL工藝製造出來的原型測試件；圖4是迷宮微流道數據採集系統界面圖；圖5是本發明提出的單元微流道結構示例。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
參見圖1，本發明包括高壓氣瓶1以及與高壓氣瓶1相連通的密閉水箱3，在高壓氣瓶1與密閉水箱3之間還設置有減壓閥2，密閉水箱3的出口通過管路依次串聯有相互連通的球形閥4、過濾器5、針型閥6、玻璃轉子流量計7和迷宮流道測試件9，在迷宮流道測試件9的出口處設置錐形燒杯10，錐形燒杯10放置在通過A/D轉換卡與計算機13相連接的精密電子秤11上，在迷宮流道測試件9上還並聯有通過三通8和A/D轉換卡與計算機13相連的差壓變送器12。
由於本發明管路中的流量較小且要求壓力穩定，所以採用高壓氣瓶1供壓，通過調節減壓閥2大致達到試驗所需壓力，氣壓將密封不鏽鋼水箱3內的水壓入管路中，控制球形閥4的開度達到粗調流量的效果，參照灌溉水標準的要求，在其後設置一200目的過濾器5以除去水中雜質，之後接入針型閥6來控制流量精調，管路中的實時流量可以通過玻璃轉子流量計7大致讀出，接著水流進入迷宮流道測試件9中，最後把水流用一錐形燒杯10收集，通過精密電子秤11測出某一段時間的質量流量M，從而換算成體積流量Q。用三通8分別將流道進出口的水流通過導壓管引入差壓變送器12的高低壓入口，這樣就可測出其壓降ΔP。差壓值ΔP和電子秤的實時流量數據M均通過高精度A/D轉換卡在計算機13中輸出並存儲，以確保其數據採集的同時性和準確性。
參見圖2，a為迷宮流道測試件CAD的外形圖，試件的兩頭為取壓方便將其放大；b、c、d為測試件的剖面圖，由圖可看到測試件中間為迷宮流道，可採用多種形式的流道，例如三角形、梯形、圓弧形等等。在設計迷宮流道測試件時，所有的測試件接頭形狀、大小均一樣，以確保其相同工況下的局部損失相等。
參見圖3，a為採用快速成形技術中的雷射固化成形(SL)製造測試件的工藝流程。SL法是一種可以自動、直接、快速、精確地將設計思想物化為具有一定功能的原型零件，在所有的快速成形工藝中，其精度高，表面質量好，原材料利用率近100％，適合製作具有複雜結構的微小零件。在製作迷宮流道測試件上，可以將流道設計成三角形、梯形、圓弧型等等結構形式，不需要相應的模具就能製造出來，這是傳統工藝方法所不能達到的。首先用三維造型軟體設計出測試件的CAD模型，按照通常的弦高和角度將CAD模型進行網格化處理，即生成三維多面體模型(STL格式)，然後將此格式模型導入通用RPdata軟體進行實體分層，即用一系列平行於XY平面，在Z方向有一定間距的平面來切割多面體模型，生成分層信息，每一層的邊界是由許多小線段組成，最後再對分層信息進行NC後處理，生成控制成形機運動的數控代碼，將層面數據輸入SL成形機即可加工出測試件原型，最後將測試件進行清洗和固化處理，完後就可接入試驗臺進行試驗。圖3b為採用此工藝加工出來的測試件外觀圖。
參見圖4，同一時刻的迷宮流道測試件的流量數據和差壓數據可以在此採集系統中實時顯示出來。採集方法可以採用自動採集和手動採集兩種，自動採集可根據系統特點自行設定採集時間間隔。差壓值的獲取可通過將採集卡獲得的電壓值轉換成電流值，之後與變送器的量程線性變換，即可完成。
圖1中由差壓變送器12測出的壓降ΔP包括了迷宮流道的壓降ΔP流道和流道進出口的局部損失ΔP損，為了能得到ΔP流道，本發明採用兩次不同試件長度測量法求出局部損失ΔP損，具體方案如下局部損失ΔP損只與局部損失係數δ和水流流速有關。將所有試驗用的迷宮流道測試件的兩端設計成同一結構大小，則保證了所有測試件的進出口處具有同一局部損失係數δ。如流速一樣，則就能確保兩工況下的局部損失ΔP損相等。根據這一原理，設計兩個直流道測試件1和2，其流道截面形狀和大小都一樣，流道長度分別為L1和L2(L2＞L1)，採用同一接頭。分別將兩測試件接入裝置中，由差壓變送器測出若干同一流量值下的壓降ΔP1和ΔP2，那麼連接測試流道接口的進出口局部損失之和可以用下式表示 所以，由流道產生的壓降ΔP流道＝ΔP-ΔP損由流動理論可知流體的雷諾數Re=uDh=QDhAc]]>式中，ρ為流體的密度；u為流體的平均速度；Dh為流道的當量直徑；μ為流體的動力粘度；Q為體積流量，由精密電子秤11測量出某一段時間試件9流入錐形燒杯10內的水的質量M；Ac為流道的截面面積。
根據經典理論的壓降公式P=flDu2]]>由於流道為迷宮型，故採用當量達西摩擦阻力係數來代替沿程摩擦阻力係數
式中，lc為單元流道的邊界中心長度，n為單元流道的個數，其它同上。
如用X表示迷宮型流道的形狀參數，則當量摩阻係數fc就是X的函數，fc＝f(X)參見圖5，對於三角形單元(圖5a)，X包括三個參數流道寬度W，單元流道跨度L，流道夾角θ；對於梯形單元(圖5b)，X包括四個參數流道寬度W，單元流道跨度L，單元高度H，流道傾角θ；對於圓弧形單元(圖5c)，X包括三個參數流道寬度W，流道中線半徑R，流道圓心角θ。
因而流量Q與壓降ΔP流道之間的關係 參照這一關係式，可以根據給定的流道結構和壓降數值，計算出灌水器的流量，為快速設計新型灌水器提供理論依據。
權利要求
1.微尺度迷宮型單元流道的製造方法，其特徵在於1)首先採用三維造型軟體設計出微尺度迷宮型單元流道的CAD模型，2)其次按照弦高和角度將CAD模型進行網格化處理，即生成三維多面體模型STL格式，然後將此格式模型導入通用RPdata軟體進行實體分層，即用一系列平行於XY平面，在Z方向有一定間距的平面來切割多面體模型，生成分層信息；3)最後再對每一層片進行判別，區分實體及空域，實體部分為待掃描填充部分，此部分形成掃描矢量數據，生成控制成形機運動的數控代碼，將層面數據輸入SL成形機即可加工出測試件原型，最後將測試件進行清洗和固化處理即可。
2.微尺度迷宮型單元流道水力性能測試裝置，包括高壓氣瓶[1]以及與高壓氣瓶[1]相連通的密閉水箱[3]，其特徵在於密閉水箱[3]的出口通過管路依次串聯有相互連通的針型閥[6]、轉子流量計[7]和迷宮流道測試件[9]，在迷宮流道測試件[9]的出口處設置錐形燒杯[10]，錐形燒杯[10]放置在通過A/D轉換卡與計算機[13]相連接的精密電子秤[11]上，在迷宮流道測試件[9]上還並聯有通過三通[8]和A/D轉換卡與計算機[13]相連的差壓變送器[12]。
3.根據權利要求2所述的微尺度迷宮型單元流道水力性能測試裝置，其特徵在於所說的高壓氣瓶[1]與密閉水箱[3]之間還設置有減壓閥[2]。
4.根據權利要求2所述的微尺度迷宮型單元流道水力性能測試裝置，其特徵在於所說的密閉水箱[3]與針型閥[6]之間還依次設置有相互連通的球形閥[4]和過濾器[5]。
5.根據權利要求2所述的微尺度迷宮型單元流道水力性能測試裝置，其特徵在於所說的轉子流量計[7]為玻璃轉子流量計。
6.一種基於權利要求1和2所述的微尺度迷宮型單元流道水力性能測試方法，其特徵在於首先設計兩個流道截面形狀和大小都一樣的直流道測試件1和2，試件1和2的流道長度分別為L1和L2，L2＞L1，採用同一接頭，分別將兩測試件接入微尺度迷宮型單元流道水力性能測試裝置中，由串聯在試件[9]上的差壓變送器[12]測出若干同一流量值下的壓降ΔP1和ΔP2，那麼連接測試流道接口的進出口局部損失之和為 所以，由流道產生的壓降ΔP流道＝ΔP-ΔP損由流動理論可知流體的雷諾數Re=uDh=QDhAc]]>式中，ρ為流體的密度；u為流體的平均速度；Dh為流道的當量直徑；μ為流體的動力粘度；Q為體積流量，由精密電子秤[11]測量出某一段時間試件[9]流入錐形燒杯[10]內的水的質量M，從而換算成體積流量Q；Ac為流道的截面面積；然後根據經典理論的壓降公式P=flDu2]]>由於流道為迷宮型，故採用當量達西摩擦阻力係數來代替沿程摩擦阻力係數 式中，lc為單元流道的邊界中心長度，n為單元流道的個數；如用X表示迷宮型流道的形狀參數，則當量摩阻係數fc就是X的函數，fc＝f(X)因而流量Q與壓降ΔP流道之間的關係 根據給定的流道結構和壓降數值即可得到灌水器的流量。
全文摘要
微尺度迷宮型單元流道的製造及水力性能測試方法和裝置，採用迷宮型灌水器流道結構的實際尺寸提取單元流道結構，將其進行多個組合，設計成獨立的迷宮流道測試件，採用雷射固化快速成形方法(SL)製作出實體零件，將其接入試驗裝置的管路中。採用高精度等級的差壓變送器測出水流經過迷宮流道後進出口的壓力差ΔP，利用兩次不同試件長度測量法確定出進出口的局部損失ΔP
文檔編號G01M10/00GK1603771SQ20041007326
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月11日 優先權日2004年11月11日
發明者趙萬華, 盧秉恆, 張俊, 魏正英 申請人:西安交通大學