CN111721962B - 一种基于马格努斯效应的流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于马格努斯效应的流速测量装置及其测量方法，涉及流体速度测量领域，该装置包括外壳和内部中空的圆柱；外壳一端固定设置有控制设备，另一端开口，外壳内设置有通过固定轴承与控制设备连接的直流电机；圆柱一端固定连接有硬长杆，硬长杆远离圆柱的一端与直流电机固定连接；外壳的开口端内壁处均匀环设有多个压力传感器，压力传感器均分别与硬长杆侧壁无应力接触；本发明基于该装置的测量方法包括步骤一；确定测量装置总体结构；步骤二；布置压力传感器；步骤三；根据传感器数据计算圆柱受力；步骤四；处理与修正所得数据。本发明不仅能够测量流体速度的大小，还能实现速度方向的测量，而且测速装置小型方便，生产和维护成本低。

Description

一种基于马格努斯效应的流速测量方法

技术领域

本发明涉及流体速度测量领域，特别是涉及一种基于马格努斯效应的流速测量装置及其测量方法。

背景技术

如何测定流体的流速对于当今流体力学实验、地质水文监测、工厂管道流动监测等有重要意义，是生产和科研工作中必不可少的一项技术。如何测定流体流速是一项重要的工作，如何高效、便利和精确地测量流速是研究的重点。

流体速度的测量方法和仪器很多，但是各有优缺点，没有完全适合各种情况下的流体测速装置。常见的流速测量装置如电磁式流速计价格昂贵，且无法测量非导电物质的流速，普通的涡轮机械式流速计则存在结构复杂、精度较差、结构比较笨重等缺点。另外还有文丘里管流量计和节流式流量计等，但这些流量计只能测量内流的流速。因此，现有的流速测量设备都有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于马格努斯效应的流速测量装置及其测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，不仅能够测量流体速度的大小，还能实现速度方向的测量，而且测速装置小型方便，生产和维护成本低。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于马格努斯效应的流速测量装置，包括外壳和内部中空的圆柱；所述外壳一端固定设置有控制设备，另一端开口，所述外壳内设置有直流电机，所述直流电机通过固定轴承与所述控制设备连接；所述圆柱一端固定连接有硬长杆，所述硬长杆与所述圆柱的中心线重合；所述硬长杆远离所述圆柱的一端穿设于所述外壳内，并与所述直流电机固定连接；所述外壳的开口端内壁处均匀环设有多个压力传感器，所述压力传感器均分别与所述硬长杆侧壁无应力接触。

可选的，所述圆柱采用金属材质制成；所述圆柱的长度大于所述圆柱的直径。

本发明还提供一种基于马格努斯效应的流速测量方法，包括如下步骤：

步骤一；确定测量装置总体结构；

步骤二；布置压力传感器；

步骤三；根据传感器数据计算圆柱受力；

步骤四；处理与修正所得数据。

可选的，所述步骤三包括；以圆柱的轴线心为原点，建立直角坐标系，在直角坐标系下，以来流方向为零度角，设其中一个压力传感器的方位角为θ₁，另一个压力传感器的方位角为θ₂，两个压力传感器各自受到力大小为P₁和P₂；圆柱的中点到固定轴承距离和压力传感器到固定轴承距离的两段力臂分别为L₁和L₂；则可以获得各自的矢量坐标为

和

矢量合成得

由此可得压力传感器受力的大小为

压力传感器受力的方向为θ_a；由杠杆原理可知圆柱受力大小为

圆柱受力方向为θ＝θ_a

可选的，所述步骤四包括：首先旋转圆柱获得圆柱受力

然后圆柱静止不转通过压力传感器获得来流冲力

两者进行矢量减法

获得精确的马格努斯力

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

根据流体力学原理，对于圆柱体的绕流问题，如果绕圆柱体存在有环量，那么圆柱体将受到横向力的作用，而产生绕圆柱体环量最简单的方法就是让圆柱体转动。由马格努斯效应可知，让圆柱匀速旋转就会产生额外的作用于圆柱体的力。因此本发明的原理是通过设置旋转圆柱体在流动的流体中。如果已知圆柱的旋转角速度、半径、长度，马格努斯力的大小也是确定的，方向垂直于来流速度，且位于来流速度和圆柱旋转角速度矢量所组成的平面内。因此，只需要测量圆柱所受力的大小和方向，就可以反推出来流流体的速度方向和大小。本发明基于此提出的测量装置和测量方法，结构简单，技术实现方便，不需要额外复杂的控制系统，而且对流体的影响较小，不仅能够测量流体速度的大小，还能实现速度方向的测量，生产和维护成本低，是一种很有潜力的测速装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明基于马格努斯效应的流速测量装置结构示意图；

图2为本发明基于马格努斯效应的流速测量装置的压力传感器排列示意图；

其中，1为圆柱、2为硬长杆、3为压力传感器、301为第一压力传感器、 302为第二压力传感器、4为直流电机、5为固定轴承、6为控制设备、7为外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种基于马格努斯效应的流速测量装置及其测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，不仅能够测量流体速度的大小，还能实现速度方向的测量，而且测速装置小型方便，生产和维护成本低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

马格努斯效应(Magnus Effect)是指一个旋转物体在流体中将产生一个额外的力。这是由于物体旋转带动周围的流体旋转，使得物体一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小。根据伯努利原理可知，流体速度增加、压强减小，流体速度减小、压强增加，从而使得旋转物体在横向存在压力差，形成横向力，这也使得利用马格努斯效应测量流体速度成为可能，并且基于该方法的流速测量装置结构简单。

本发明据此提供一种基于马格努斯效应的流速测量装置，如图1所示，包括外壳7和内部中空的圆柱1；外壳7一端固定设置有控制设备6，另一端开口，外壳7内设置有直流电机4，直流电机4通过固定轴承5与控制设备6连接；圆柱1一端固定连接有硬长杆2，硬长杆2与圆柱1的中心线重合；硬长杆2远离圆柱1的一端穿设于外壳7内，并与直流电机4固定连接；外壳7的开口端内壁处均匀环设有多个压力传感器3，压力传感器3均分别与硬长杆2侧壁无应力接触。

本发明还提供一种基于马格努斯效应的流速测量方法，包括如下步骤：

步骤一；确定总体结构

本发明的流速测量装置，采用中空圆柱体并使用金属材质可以保证圆柱1 本身强度足够情况下减轻重量。设置圆柱1的直径为一定大小，圆柱长度为了产生较大的马格努斯力设置应大于直径。设置的与同轴直流电机连接的硬长杆 2。同轴直流电机4以固定轴承5固定在上部外壳中，圆柱1通过硬长杆2连接上部控制设备6。只要保证自身相对圆柱1静止，并且使硬长杆2与同轴直流电机4之间可以视为刚性连接。直流电机4通过连接固定轴承5而固定与控制设备上，同时固定点作为杠杆支点并保证直流电机4与圆柱1同轴。

步骤二；布置压力传感器

如图2所示，在硬长杆2周围以固定均匀的角度沿360度布置数个压力传感器3，每个压力传感器3间隔相等。压力传感器3可以通过多种方式固定，只要使其恰好接触硬长杆2同时不产生应力。当圆柱1因马格努斯效应受到力时，根据杠杆原理，压力传感器3会受到相应的压力数据，并相应的传回控制电路。

步骤三；根据传感器数据计算圆柱受力

根据流体力学理论可知对于在来流中旋转的圆柱1，首先计算圆柱环量可知：

其中，v_t＝rω为圆柱1壁面的切向速度；r为圆柱1半径；ω为圆柱1旋转角速度。根据库塔－儒科夫斯基定理，受到的马格努斯力为：

F＝ρV_∞Γ＝ρV_∞2πr²ω

以轴线心为原点，可以设立坐标系计算压力传感器3传回数据得出受力。以图2进行说明，以第一压力传感器301和第二压力传感器302受到压力为例，在直角坐标系下，以来流反方向为x轴零度角，设第一压力传感器301的方位角为θ₁，第二压力传感器302的方位角为θ₂，各自受到力大小为P₁和P₂。圆柱中心到固定轴承5处的固定点距离和两个压力传感器到固定轴承5处的固定点距离的两段力臂分别为L₁和L₂。则各自的矢量坐标为：

矢量合成得：

由此可得传感器受力的大小为：

压力传感器3受力的方向为：

由杠杆原理可知圆柱1受力大小为：

圆柱1受力方向为：

θ＝θ_a

获得圆柱1受力的大小，再进行修正就可以通过公式反推来流速度。

步骤四；处理所得数据

在圆柱1旋转角速度一定，且半径和长度已知的情况下，圆柱1受到的马格努斯力只与流体的密度和流速有关，力的方向同时垂直于来流速度矢量和圆柱旋转角速度矢量，由于低速情况下来流密度可认为是常数，则马格努斯力只与流速成正比。因此，只需要测量圆柱1所受力的大小和方向，就可以得到流体速度的大小和方向。

由于来流对圆柱1冲击也会产生力，因此实际测速中应分为两步，首先旋转圆柱获得圆柱1受力

然后圆柱1静止不转通过压力传感器3获得来流冲力

两者进行矢量减法

可获得精确的马格努斯力

来流速度V_∞就可以通过公式F＝ρV_∞Γ＝ρV_∞2πr²ω进行反推得：

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于马格努斯效应的流速测量方法，其特征在于：该方法采用了基于马格努斯效应的流速测量装置；该装置包括外壳和内部中空的圆柱；所述外壳一端固定设置有控制设备，另一端开口，所述外壳内设置有直流电机，所述直流电机通过固定轴承与所述控制设备连接；所述圆柱一端固定连接有硬长杆，所述硬长杆与所述圆柱的中心线重合；所述硬长杆远离所述圆柱的一端穿设于所述外壳内，并与所述直流电机固定连接；所述外壳的开口端内壁处均匀环设有多个压力传感器，所述压力传感器均分别与所述硬长杆侧壁无应力接触；该方法包括如下步骤：

步骤一；确定测量装置总体结构；

步骤二；布置压力传感器；

步骤三；根据传感器数据计算圆柱受力；以圆柱的轴线心为原点，建立直角坐标系，在直角坐标系下，以来流方向为零度角，设其中一个压力传感器的方位角为θ₁，另一个压力传感器的方位角为θ₂，两个压力传感器各自受到力大小为P₁和P₂；圆柱的中点到固定轴承距离和两个方位角分别为θ₁和θ₂的压力传感器到固定轴承距离的两段力臂分别为L₁和L₂；则可以获得各自的矢量坐标为

和

矢量合成得

由此可得两个压力传感器矢量合成后受力的大小为

两个压力传感器矢量合成后的受力的方向为θ_a；由杠杆原理可知圆柱受力大小为

圆柱受力方向为θ＝θ_a；

步骤四；处理与修正所得数据；首先旋转圆柱获得圆柱受力

然后圆柱静止不转通过压力传感器获得来流冲力

两者进行矢量减法

获得精确的马格努斯力

来流速度V_∞就可以通过以下公式获得：

r为圆柱半径；ω为圆柱旋转角速度；ρ为圆柱密度。

2.根据权利要求1所述的基于马格努斯效应的流速测量方法，其特征在于：所述圆柱采用金属材质制成；所述圆柱的长度大于所述圆柱的直径。

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