扭矩传感器原理 北京天宇恒创传感技术有限公司

使用扭矩传感器来直接测量同种工况

引言

为了能够更好的研究搅拌桨的功率准数,我们采用实验研究方法来验证模拟结果是否准确。由于对流体混合特性的实验研究开展较早,所以实验方法也比较成熟。搅拌扭矩的测量方法有很多,其中最常用的而且误差较小的有两种:一是电动机反扭矩测量方法,当电动机工作的时候,转子跟定子上的电磁矩一直是大小相等,方向相反的,我们只要测量一下作用于电动机定子上的扭矩就能够得到转子上的扭矩[1];二是应变测量方法,搅拌轴在扭矩的作用下会发生剪切变形,这会引起应变片的电阻丝变长,使得电阻值变换,进而产生了电压信号,这可以通过记录仪中读取应变的变化数据,然后根据扭矩和切应变的关系进行换算来得到扭矩值。根据实验室现在具有的实验设备,我们使用了扭矩传感器来直接测量了同种工况,转速变化下的扭矩值,来验证数值模拟的准确性。

1.模型参数

搅拌釜为圆柱体,周围均匀分布四块挡板。釜径为T=0.38m,将液位高度设定为H=T,挡板宽度为1/10T。搅拌桨直径d=0.127m,即反应器直径的1/3,桨叶中心位置距离反应器底部为C=0.25T。搅拌桨具体详细参数见表1,表中b代表搅拌桨的宽度,nP代表桨叶的叶片数量,θ代表斜桨桨叶与水平面的倾斜角度。

表1 桨叶名称及结构参数比
桨叶名称及结构参数比

对于牛顿流体来说,实验研究结果多数以功率准数Np的形式给出:

其中:Np-搅拌功率准数;
P-搅拌功率,W;
M-扭矩,N.m;
ρ-介质密度,kg/m3;
N-搅拌转速,rpm;
d-叶轮直径,m;
对搅拌功率产生影响的因素主要有四类:
(1)搅拌桨叶因素,如搅拌桨直径Di、搅拌转速N、桨叶宽Wi、叶片倾斜角θ、叶片宽度Bi与桨层数n,单个叶轮上的叶片数np等。
(2)搅拌反应器因素,如反应器直径D、反应器高高L、液位深度H等。
(3)有关被搅拌液体的因素,如液体的密度ρ、粘度μ。
(4)重力加速度g。
同种工况,不同转速下,搅拌桨功率准数的计算值与实验值的比较如表2,所示,由表可以看出,模拟计算得到的结果基本与实验结果吻合,实验值与模拟值相比偏高[2]。

2.四斜叶桨的功率准数

表2 四斜叶桨功率准数的实验值与模拟值的比较
四斜叶桨功率准数的实验值与模拟值的比较

由表2我们可以得到大体上功率准数是随着转速的增加而减小的结论,模拟值要低于实验所求的结果。从图2可以直观地看出,转速的增加到200r/min之前,曲线在波动中呈现下降趋势,但随着转速的增加,曲线下降趋势减缓。当转速超过200r/min之后,实验功率准数随转速的变化波动不大,主要在Np=2位置上下波动。而模拟功率准数变化呈一条曲线下降的趋势,当转速低于200r/min时,功率准数变化较大,出现这个现象的原因是转速较低时,搅拌受到的阻力较大。当转速超过200r/min后,功率准数曲线趋于一条水平线,但也有较小的下降趋势。在转速200r/min至400r/min之间,实验值与模拟值吻合情况较好,在这个区间内,功率准数Np变化较小基本维持在2左右。实验值稍大于模拟值的原因是湍流是各向异性的,各向同性假设的标准湍流模型不太适应,对于功率准数的预测普遍偏低[3]。

四斜叶搅拌桨功率准数曲线
图2 四斜叶搅拌桨功率准数曲线

3.结论

通过实验数据与流体计算结果对比我们发现,两者数据都呈现曲线下降趋势,并在某个节点处曲线变得较为平缓。流体计算得到的结果与实验结果相近,说明实验验证了流体计算的准确性。