MEMS流速儀流體動力學設計.docx

1、文章編號：1007-2284(2016)10-0080-03MEMS流速儀流牌動力學設計董波】，董萬鈞】，劉婕1,楊杰2,劉清，港3(1.水利部南京水利水文自動化研究所，南京210012,2.南京信息工程大學大氣物理學院，南京210044；3.南京信息工程大學電子與信息工程學院.南京210044)摘要:針對MEMS技術在流速測量的領域的應用，設計了一種基于MEMS技術的在線流速儀。為了優(yōu)化傳感器探頭結構設計與芯片選型，利用CFD方法建立流速儀的流體動力學模型，對其施加外部受雜對流一傳熱耦合熱邊界條件，進行流固耦合傳熱計算，得到不同直徑的流速儀溫度場分布。采用遺傳算法對CFD方法計算姑果進行擬合

2、，建立了探頭溫度丁與水流速度V及探頭直夜D之間的修正方程。測試結果表明：傳感器探頭溫度隨著水流速度的增加而呈指數(shù)形式減小，隨著探頭外徑的增加而減小。當水流速度小于0.1m/s時，探頭溫度肢速度減小變化較快，即該量程范國內測量精度較高。關詞：MEMS,在線測流；流速儀;計算流體動力學中圖分類號:TV9HS274.4文獻標識碼:ACFDDesignofCurrentMeterBasedonMEMSDONGBo1,DONGWan-jun1,LIUJie1,YANGJie2,LIUQing-quan3(1.NanjingAutomationInstituteofWaterConservancyandH

3、ydrology,theMinistryofWaterResources,Nanjing210012.China；2.SchoolofAtmosphericPhysics*NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044»China；3.SchoolofElectronicandInformationEngineering»NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology*Nanjing210044.China)Abstract:Aiminga

4、ttheapplicationofMEMStechnologyinthefieldofvelocitymeasurement,basedonMEMStechnologyanonlinecurrentmeterwasdesigned.Inordertooptimizethesensorprobestructuredesignandchipselection,theflowoffluiddynamicsmodelwasestablishedbythemethodofCFD,Thecurrentmetertemperaturefielddistributionofdifferentdiameterw

5、asdevelopedfromthefluid-structurecouplingheattransfercalculation*fortheexternalconvectiveheattransfercoupling-complexthermalboundaryconditionsofthesensor.ThemodifiedequationoftheprobetemperatureTandtheflowvelocityVandpipediameterDwasestablished,withthemethodofgeneticalgorithm*applyingtofitthecalcula

6、tionresultsofCFD.Testresultsshowthat：thetemperatureofsensorprobedecreasesintheformofexponentialwiththeincreaseofflowvelocityanddecreaseswiththeincreaseoftheprobediameter.Whentheflowrateislessthan0.1m/s,thetemperatureofsensorprobedecreasesharplywiththereduceofflowvelocity,theprecisionishigherwithinth

7、espeedrange.Keywords：MEMS；linespeeddetect；currentmeter；computationalfluiddynamics目前河流水流流速測量領域，應用比較廣泛的流速測量方法主要使用畢托管、熱線熱膜流速儀、轉子流速儀、激光多普勒測速儀和粒子圖像測速儀等“幻.其他方法均是基于這些方法的基本原理演變來的。由于畢托管探針本身制作的困難和新的測量技術的發(fā)展，加之畢托管屬于單點、定常的接觸式測垣,對被測流場影響較大，在實際測量應用中受到了一定限制。熱線熱膜流速儀基于熱絲與周圍流體間的換熱進行流速測量，對周圍介質最大的要求就是污染小,周圍環(huán)境對熱線探頭的干擾收稿日期

8、：2016-06-29作者簡介:董波1987-).男，工程師.研究方向為水利佰息化.E-mail：db690571215.小。但對于含沙量大的應用場合，便無法使用熱線熱膜流速儀進行流速測量。當然，需要校準過程并且需要其他的測量流速方法校準也是使用中的限制因素,在很大程度上限制了熱線流速儀測量精度的提高。激光多譜勒流速儀利用多譜勒效應進行三維速度測量，時間、空間分辨率都較高，測量時直接得到流速數(shù)據(jù).測量精度也是當前流速測量方法中最高的，但是由于該設備價格過高，主要依賴進口，未能得到廣泛應用。粒子圖像測速儀在流體力學實驗研究中得到了廣泛應用，在微流動中發(fā)揮了越來越重要的作用,但是由于該測量方法對流

9、體要求較高，未能在河流流速測量中得到實際應用。綜上，國內外常用的測流裝置雖然在一定時期和一定程度上對流速檢測起到J'較大作用.但是仍然存:在若設備昂貴、安裝復雜、維護困雄及精度不高等缺點和不足，加上仃些地方的監(jiān)測點偏遠荒蕪.不適合人員長期駐守監(jiān)測.因而.本項目在前人研究的基礎上.利用MEMS技術設計低成本、小型化的在線流速測ht裝'置有音口大而深遠的意義.若整個系統(tǒng)推向實際應用更是右*廣闊的小場前景。MEMS技術是隨并半導體集成電路微細加I：技術和超精密機械加.技術發(fā)展起來的，是多學科交叉的新興領域，具有體積微小、耗能低、微細操作便捷、成本低、傳感器對流場的干擾少等優(yōu)點'

10、;6.尤其是微小尺度F流速精確測景問題具有獨持的優(yōu)勢.木文提出的種新烈基于MEMS技術的在線測流系統(tǒng).對于解決河道流速實時在線測情尤患是小微流速的測ht具有顯井的優(yōu)勢1工作原理1.1MEMS流速儀測故原理熱流ht傳感器的匚作原理主要仃熱損失型X、熱溫差型Y以及熱脈沖型Z,其中熱溫差型流速傳感器利用當流體流過加熱體的時候,芯片上游和卜,源的溫度梯度來反映流速.是水流速測ht的理想選擇熱式流速測技是依據(jù)托馬斯提出的“氣體的放熱仙或吸熱址與該氣體的質址流速成正比”的理論，利用流體與熱源之間的熱ht交換關系來測ht流速的技術7。目前熱式流速傳感器主要:分為熱損失型和熱溫是型2種類型”*。其中.前片通過

11、測ht流體流過時加熱體的溫度變化，測算流體流速.但不能測體流向。后者利用流體流過加熱體時.上游的溫度下降會比下游快.導致加熱體附近熱場發(fā)生變化.通過測ht這個溫度里可以同時反映流體流速和流向。即：ATvs=cos0=sVcos0A7'w=7'sint?=5Vsin0式中：丁為傳感器溫度：V和。分別為流速和流向；.、為溫是對流速的靈敏度系數(shù)對于陽伉為k、溫度系數(shù)為a的測溫電阻.惠斯通電橋的輸出電壓分ht為：從而流速和流向以表示為：V=普/（As+Bwa5（J0=arctan1.2系統(tǒng)結構流速儀測ht系統(tǒng)由流速儀探頭L信2線2、信號處理系統(tǒng)3J2V開關電源4,220V電源5、計算機

12、6等部分組成，見圖1.2流速儀流體動力學設計2.1流體動力學模型流速儀包含傳感器芯體、不銹鋼管、導熱膠體和電位差計式電橋測溫模塊本文采用（下1）方法建/流速儀的流體動力學模型.對H：施加外部岌雜對流傳熱胡合熱邊界條件.進行流固根合傳熱計算.得到流速儀的溫度場分布.由圖2可知.流速計探頭由*L徑為3mm的不銹鋼管、圖1系統(tǒng)結構Fig.1SystemstructurediagramMEMS傳感器探頭和泡沫密封體組成。傳感器探頭K10mm.水流垂直流向不銹鋼管.鋼管中心放置圓柱形傳感器，加熱功率為2W,傳感器探頭1：卜各安裝2W圓柱形泡沫體。流速計探頭材料的相關特性參數(shù)見表1.不銹鋼（外柱3mm壁厚

13、0.3mm長度30mm）泡沫體2傳感器（長度10nun）、泡誅體I圖2流速計探頭示意圖Fig.2Schematicofpitometerprobe«1流速計探頭材料特性基本參數(shù)Tab.1Materialproperliesofthepitometerprobe材料密度/(kgm3)熱容/(Jkg1K')熱學率"Wm1K1)不銹鋼8030502.-1816.27泡沫50591.000.02陶瓷3900840.0035,00較大的空y域尺寸有利于提高計算粘度.但會導致計算變得困雄it.雄以求解；反之，可以使得算法容易實現(xiàn)，但計算誤差較大。因此需對空氣域尺寸進行優(yōu)化.通過

14、比較不同空氣域尺寸模型的模擬計算悄況，從精度和求解的難易程度上考慮，得出低輻射誤差溫度傳感器的合理空氣域尺寸為30mmX100mmXlOOmm,為獲得理想的網(wǎng)格質缺.本文采用網(wǎng)格劃分軟件K'EMCF1）對計算模型進行網(wǎng)格劃分,采用適應性較強的非結構化四面體網(wǎng)格劃分技術生成得到四面體網(wǎng)格為精確計算流體和固體之間熱ht交換.對流固交界面進行r邊界層網(wǎng)格設計。為我證網(wǎng)格的無關性，對70150萬網(wǎng)格數(shù)址模型進行仿真計算。當網(wǎng)格數(shù)情從90萬變至150萬時，隨著網(wǎng)格數(shù)怯的增加.輻射誤差變化較小.可認為90萬的網(wǎng)格巳達到網(wǎng)格無關的要求.因此取數(shù)lit為90萬的網(wǎng)格作為計算網(wǎng)格。求解時基于壓力求解器.

15、并采用非定常流動計算.模型中采用能ht方程進行傳熱計算。溫流模型采用k-epsilon標準模型壓力和速度解耦采用SIMPLE算法動址、能量以及湍流參械的求解采用一階迎風模式。2.2溫度場分布本文運用CFD方法對流速計進行仿苴計算.水流速度和加熱功率分別為0.01m/s和2W。溫度場和速度場分布見圖3.由計算結果可知,流速計探頭傳感器的溫度為12.592P.314.316312.心311.453310.021308.590307.158305.726304295302X63301.431300000993仿A獲得的溫度場和流場分布Fig.3Simulationresultsofthetemper

16、atureandvelocityfield2.3不同直徑探頭對測員的影響運用CFD方法對不同直徑流速計探頭進行傳熱計算.得到水流速度與探頭溫度之間的關系。加熱功率為2W,水流速度變化范圍為0.0015m/s.探頭直徑為3、4和5mm。探頭溫度和水流速度之間的關系見圖4.圈4水流速度和中心溫度的關系曲線Fig.4Therelationshipbetweenprobetemperatureandwatervelocity探頭溫度隨著水流速度的增加而呈指數(shù)形式減小，隨著探頭外徑的增加而減小.如圖4所示，當水流速度小于0.1m/s時,探頭溫度變化降低較快，該流速量程，測量精度較高.由于CFD方法僅能計

17、算有限種類的模型.如能獲得任意水流速度、探頭直徑條件下探頭溫度與水流速度之間的對應關系,即可獲得任意型號探頭的測量值。采用遺傳算法對CFI)方法計算結果(圖4)進行擬合.獲得了探頭溫度丁與水流速度V及探頭直徑D之間的修正方程："=例+InV+pa1子D+In'V+例D+6D3,)1+色InV+例ln2V4-A.ln3V+pl0D式中ip=4.682,p2=0.248,/>3=0.58,四=0.464,p5=1.659,例=0.143,9=0.655.例=0.174,/>9=0.006,加=0.715.將水流速度和探頭直徑代入方程(1)，計算出對應水流速度條件下探頭

18、溫度，為流速儀提供流速與探頭溫度之間的對應關系.3結論本文設計了一種基于MEMS技術的在線流速測址儀.通過CFD方法對其在不同水流速度和探頭直徑條件下進行了數(shù)值計算.采用遺傳算法對計算結果進行擬合，獲得計算方程.應用方程可獲得任意氣流速度和探頭直徑條件下探頭的溫度.為流速儀提供流速與探頭溫度之間的對應關系.得到以下結論。(1) 本文設計了3種探頭直徑3、4和5mm的流速儀。(2) 探頭溫度隨著水流速度的增加而呈指數(shù)形式減小.隨著探頭外經(jīng)的增加而減小.當水流速度小于0.1m/s時，探頭溫度變化降低較快，該流速量程，測址精度較高。(3) 運用遺傳算法獲得了探頭溫度計算公式.將水流速度和探頭直徑代入公式，計算出對應水流速度條件下探頭溫度，為流速儀提供流速與探頭溫度之間的對應關系。(4) 熱式水流速儀較目前主流流速儀測量設備具有小微流速測址精度高、成本比現(xiàn)有的設備低、不受環(huán)境溫度影響等特點。參考文獻：1 金幅一.流速儀信號采集系統(tǒng)設計J.水文.2016,36(1):88-92.2 物紅玲，馬樹升.張加義.超聲波法與流速儀法在明梁測流中的比較研究J.山東農業(yè)大學學報(自然科學版).2008,39(2):301-304.3 吳大軍.唐根.錫嫌姍.基于技術新型濕度傳感器的研制J.MEMS與傳感器,2013,50(9).570-575.4