CN100416253C - 微尺度迷宫型单元流道的制造及水力性能测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

微尺度迷宫型单元流道的制造及水力性能测试方法和装置，采用迷宫型灌水器流道结构的实际尺寸提取单元流道结构，将其进行多个组合，设计成独立的迷宫流道测试件，采用激光固化快速成形方法(SL)制作出实体零件，将其接入试验装置的管路中。采用高精度等级的差压变送器测出水流经过迷宫流道后进出口的压力差ΔP，利用两次不同试件长度测量法确定出进出口的局部损失ΔP_损，得到迷宫流道的真实压降ΔP_流道；同时采用精密电子秤测量出单位时间通过迷宫流道的质量流量M，通过公式将其转化为体积流量Q。两仪器测量的实时数据，通过高精度A/D转换卡，输入计算机中进行显示存储，以确保其数据采集的同时性和准确性。

Description

微尺度迷宫型单元流道的制造及水力性能测试方法和装置

技术领域

本发明涉及一种单元流道的设计及水力性能测试方法和装置，特别涉及一种微尺度迷宫型单元流道的设计及水力性能测试方法和装置。

背景技术

微尺度流体力学是介于经典宏观流体力学与微观力学之间的研究领域，主要研究特征尺度在mm至μm范围内的流体流动规律。微尺度下迷宫型流道由于其边界曲折能使流体发生紊乱，从而减小了压力对流量的敏感性这一特性而得到广泛应用，其单元流道水力性能参数的测量对研究微流体特性及其流道结构特性有很大作用。迷宫型灌水器就是一典型例子，其流道尺寸大都在mm级，灌水器流道一般由若干同一形状(如三角形、梯形)的单元组合而成，根据灌水器流量的设计要求而选择不同参数的单元结构及单元个数。因而，单元结构的设计及数量的选择将会在很大程度上影响灌水器的性能。在其流量与工作水头的计算公式中，流量系数k和流态指数x均与流道的结构有关。目前，对迷宫型灌水器进行试验分析大都得出两个性能参数之间的关系，即灌水器的流量Q和管路中的工作水头H，由于水在灌水器出口处的压力可以认为是大气压，故此时的工作水头H在工程上一般近似为水流经过迷宫流道后的压降ΔP_流道，但如果要从理论上来精确研究迷宫流道的水力性能参数，则二者不能替换。由于工作水头H包括了水流经过流道的压降ΔP_流道和流道的进出口局部损失ΔP_损，对于这种微小流道的流动问题，进出口局部损失ΔP_损已不能忽略。

对此项内容的研究，有部分学者曾提出一种基于灌水器流道的水力性能参数测试方法，即根据相似原理将流道尺寸同比放大若干倍，从而测出流道中的水流压降或流场分布规律。他们采用此法的主要原因是因为灌水器的流道尺寸微小，无法将测压点布在实际的流道当中，故将其放大处理。但如今越来越提倡小流量(Q＝0.5～3L/h)灌溉技术，灌水器的流道结构尺寸大都处在1mm以下，属于微流道范畴。因而前面的做法就忽略了微流动理论中的一些基本问题，如流道的表面粗糙度将会更大程度地影响流体流动等。

发明内容

本发明的一个目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种制造工艺简单的微尺度迷宫型单元流道的制造方法。

本发明的另一个目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种测量更精确，可根据测量结果研究出流道的各个结构尺寸对水力性能参数的影响程度的微尺度迷宫型单元流道水力性能测试方法和装置。

为达到上述目的，本发明采用的微尺度迷宫型单元流道的制造方法为：首先采用三维造型软件设计内部横截面为矩形、接口内径为圆形的微尺度迷宫型单元流道的CAD模型，在接口的外侧设计为圆弧形，接口外表面为倾斜型柱面；其次按照弦高和角度将CAD模型进行网格化处理，即生成三维多面体模型STL格式，然后将此格式模型导入通用RPdata软件进行实体分层，用一系列平行于XY平面，在Z方向有一定间距的平面来切割多面体模型，生成分层信息；最后再对每一层片进行判别，区分实体及空域，实体部分为待扫描填充部分，此部分形成扫描矢量数据，生成控制成形机运动的数控代码，将层面数据输入SL成形机即可加工出测试件原型，最后将测试件进行清洗和固化处理即可。

本发明的微尺度迷宫型单元流道水力性能测试装置包括：高压气瓶以及与高压气瓶相连通的密闭水箱，其特点是，密闭水箱的出口通过管路依次串联有相互连通的针型阀、转子流量计和迷宫流道测试件，在迷宫流道测试件的出口处设置锥形烧杯，锥形烧杯放置在通过A/D转换卡与计算机相连接的精密电子秤上，在迷宫流道测试件上还并联有通过三通和A/D转换卡与计算机相连的差压变送器；高压气瓶与密闭水箱之间还设置有减压阀；密闭水箱与针型阀之间还依次设置有相互连通的球形阀和过滤器；转子流量计为玻璃转子流量计。

本发明的微尺度迷宫型单元流道的水力性能测试方法为：首先设计两个流道截面形状和大小都一样的直流道测试件1和2，试件1和2的流道长度分别为L₁和L₂，L₂＞L₁，采用同一接头，分别将两测试件接入微尺度迷宫型单元流道水力性能测试装置中，由串联在试件上的差压变送器测出若干同一流量值下的压降ΔP₁和ΔP₂，那么连接测试流道接口的进出口局部损失之和为：

所以，由流道产生的压降：

ΔP_流道＝ΔP-ΔP_损

由流动理论可知流体的雷诺数：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}\·\stackrel{\‾}{u}\·D_h}{\mathrm{\μ}}=\frac{\mathrm{\ρ}\·Q\·D_h}{\mathrm{\μ}\·A_c}$

式中，ρ为流体的密度；u为流体的平均速度；D_h为流道的当量直径；μ为流体的动力粘度；Q为体积流量，由精密电子秤测量出某一段时间试件[9]流入锥形烧杯内的水的质量M，从而换算成体积流量Q；A_c为流道的截面面积；

然后根据经典理论的压降公式：

$\mathrm{\ΔP}=f\frac{l}{D}\frac{\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u}}{2}$

由于流道为迷宫型，故采用当量达西摩擦阻力系数来代替沿程摩擦阻力系数：

式中，l_c为单元流道的边界中心长度，n为单元流道的个数；

如用X表示迷宫型流道的形状参数，则当量摩阻系数f_c就是X的函数，

f_c＝f(X)

因而流量Q与压降ΔP_流道之间的关系：

根据给定的流道结构和压降数值即可得到灌水器的流量。

由于本发明是基于灌水器流道的原型尺寸，采用快速成型工艺快速地制造出实物零件，并将此实物零件接入试验装置，通过精密电子秤某一段时间的质量流量，将此质量流量换算成体积流量，再通过串联在实物零件的差压变送器的高低压入口，得到压降ΔP，这种基于单元流道的测试方法，所测量的参数比以往的方法更精确，据此可以研究出流道的各个结构尺寸对水力性能参数的影响程度，并回归出相应的关系式，为迷宫型灌水器的流道结构设计提供理论依据。

附图说明

图1是本发明迷宫型灌水器单元流道的水力性能参数测试装置示意图；

图2是迷宫流道测试件9的结构示意图，其中图2a是其CAD外形图，图2b是三角形流道的CAD剖面图，图2c是梯形流道的CAD剖面图，图2d是圆弧形流道的CAD剖面图；

图3a是迷宫流道测试件的制造工艺流程图，图3b是基于SL工艺制造出来的原型测试件；

图4是迷宫微流道数据采集系统界面图；

图5是本发明提出的单元微流道结构示例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明包括高压气瓶1以及与高压气瓶1相连通的密闭水箱3，在高压气瓶1与密闭水箱3之间还设置有减压阀2，密闭水箱3的出口通过管路依次串联有相互连通的球形阀4、过滤器5、针型阀6、玻璃转子流量计7和迷宫流道测试件9，在迷宫流道测试件9的出口处设置锥形烧杯10，锥形烧杯10放置在通过A/D转换卡与计算机13相连接的精密电子秤11上，在迷宫流道测试件9上还并联有通过三通8和A/D转换卡与计算机13相连的差压变送器12。

由于本发明管路中的流量较小且要求压力稳定，所以采用高压气瓶1供压，通过调节减压阀2大致达到试验所需压力，气压将密封不锈钢水箱3内的水压入管路中，控制球形阀4的开度达到粗调流量的效果，参照灌溉水标准的要求，在其后设置一200目的过滤器5以除去水中杂质，之后接入针型阀6来控制流量精调，管路中的实时流量可以通过玻璃转子流量计7大致读出，接着水流进入迷宫流道测试件9中，最后把水流用一锥形烧杯10收集，通过精密电子秤11测出某一段时间的质量流量M，从而换算成体积流量Q。用三通8分别将流道进出口的水流通过导压管引入差压变送器12的高低压入口，这样就可测出其压降ΔP。差压值ΔP和电子秤的实时流量数据M均通过高精度A/D转换卡在计算机13中输出并存储，以确保其数据采集的同时性和准确性。

参见图2，a为迷宫流道测试件CAD的外形图，试件的两头为取压方便将其放大；b、c、d为测试件的剖面图，由图可看到测试件中间为迷宫流道，可采用多种形式的流道，例如三角形、梯形、圆弧形等等。在设计迷宫流道测试件时，所有的测试件接头形状、大小均一样，以确保其相同工况下的局部损失相等。

参见图3，a为采用快速成形技术中的激光固化成形(SL)制造测试件的工艺流程。SL法是一种可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型零件，在所有的快速成形工艺中，其精度高，表面质量好，原材料利用率近100％，适合制作具有复杂结构的微小零件。在制作迷宫流道测试件上，可以将流道设计成三角形、梯形、圆弧型等等结构形式，不需要相应的模具就能制造出来，这是传统工艺方法所不能达到的。首先用三维造型软件设计出测试件的CAD模型，按照通常的弦高和角度将CAD模型进行网格化处理，即生成三维多面体模型(STL格式)，然后将此格式模型导入通用RPdata软件进行实体分层，即用一系列平行于XY平面，在Z方向有一定间距的平面来切割多面体模型，生成分层信息，每一层的边界是由许多小线段组成，最后再对分层信息进行NC后处理，生成控制成形机运动的数控代码，将层面数据输入SL成形机即可加工出测试件原型，最后将测试件进行清洗和固化处理，完后就可接入试验台进行试验。图3b为采用此工艺加工出来的测试件外观图。

参见图4，同一时刻的迷宫流道测试件的流量数据和差压数据可以在此采集系统中实时显示出来。采集方法可以采用自动采集和手动采集两种，自动采集可根据系统特点自行设定采集时间间隔。差压值的获取可通过将采集卡获得的电压值转换成电流值，之后与变送器的量程线性变换，即可完成。

图1中由差压变送器12测出的压降ΔP包括了迷宫流道的压降ΔP_流道和流道进出口的局部损失ΔP_损，为了能得到ΔP_流道，本发明采用两次不同试件长度测量法求出局部损失ΔP_损，具体方案如下：局部损失ΔP_损只与局部损失系数δ和水流流速有关。将所有试验用的迷宫流道测试件的两端设计成同一结构大小，则保证了所有测试件的进出口处具有同一局部损失系数δ。如流速一样，则就能确保两工况下的局部损失ΔP_损相等。根据这一原理，设计两个直流道测试件1和2，其流道截面形状和大小都一样，流道长度分别为L₁和L₂(L₂＞L₁)，采用同一接头。分别将两测试件接入装置中，由差压变送器测出若干同一流量值下的压降ΔP₁和ΔP₂，那么连接测试流道接口的进出口局部损失之和可以用下式表示：

所以，由流道产生的压降：

ΔP_流道＝ΔP-ΔP_损

由流动理论可知流体的雷诺数：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}\·\stackrel{\‾}{u}\·D_h}{\mathrm{\μ}}=\frac{\mathrm{\ρ}\·Q\·D_h}{\mathrm{\μ}\·A_c}$

式中，ρ为流体的密度；u为流体的平均速度；D_h为流道的当量直径；μ为流体的动力粘度；Q为体积流量，由精密电子秤11测量出某一段时间试件9流入锥形烧杯10内的水的质量M；A_c为流道的截面面积。

根据经典理论的压降公式：

$\mathrm{\ΔP}=f\frac{l}{D}\frac{\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u}}{2}$

由于流道为迷宫型，故采用当量达西摩擦阻力系数来代替沿程摩擦阻力系数：

式中，l_c为单元流道的边界中心长度，n为单元流道的个数，其它同上。

如用X表示迷宫型流道的形状参数，则当量摩阻系数f_c就是X的函数，

f_c＝f(X)

参见图5，对于三角形单元(图5a)，X包括三个参数：流道宽度W，单元流道跨度L，流道夹角θ；对于梯形单元(图5b)，X包括四个参数：流道宽度W，单元流道跨度L，单元高度H，流道倾角θ；对于圆弧形单元(图5c)，X包括三个参数：流道宽度W，流道中线半径R，流道圆心角θ。

因而流量Q与压降ΔP_流道之间的关系：

参照这一关系式，可以根据给定的流道结构和压降数值，计算出灌水器的流量，为快速设计新型灌水器提供理论依据。

Claims (1)

1. 微尺度迷宫型单元流道的制造方法，其特征在于：

1)首先采用三维造型软件设计内部横截面为矩形、接口内径为圆形的微尺度迷宫型单元流道的CAD模型，在接口的外侧设计为圆弧形，接口外表面为倾斜型柱面；

2)其次按照弦高和角度将CAD模型进行网格化处理，即生成三维多面体模型STL格式，然后将此格式模型导入通用RPdata软件进行实体分层，用一系列平行于XY平面，在Z方向有一定间距的平面来切割多面体模型，生成分层信息；

3)最后再对每一层片进行判别，区分实体及空域，实体部分为待扫描填充部分，此部分形成扫描矢量数据，生成控制成形机运动的数控代码，将层面数据输入SL成形机即可加工出测试件原型，最后将测试件进行清洗和固化处理即可。

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