单浮子磁悬浮密度计性能研究

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1、单浮子磁悬浮密度计性能研究摘要本文首先模拟了工质为氮气的密度计在P=20atm、ΔT=10K工况下的温升过程，得到密度计内部的温升状况和达到稳定后的温度分布。继而讨论了密度计达到稳定状态所需时间与测量室内压力及待测流体种类的关系。本文最终建议实验时待温度计示数稳定后等一个半小时再采集数据，以保证密度计内部充分传热，温度达到稳定。关键词磁悬浮密度计数值模拟传热过程温升曲线0前言在流体密度测量诸多方法和装置中，单浮子磁悬浮密度计[1,2]因其具有结构简单、精度高、无需标准流体标定、适用范围广、测量温度

2、和压力区间宽等优点，从而为国内外很多研究机构所使用[3-6]。该密度计主要基于阿基米德原理，通过测量浸没在待测流体中的单晶硅浮子所受的浮力，从而计算得到待测流体的密度。该密度计不仅原理简单，操作也很方便，故而本实验室也基于该密度计搭建了一套流体热物性测量装置。需要说明的是该装置的温度测量是采用内嵌在实验本体凹槽中的铂电阻温度计来完成的，但其所测得的温度为实验本体的温度，而不是待测流体的温度。实验中当本体被加热时，因铜合金具有很好的导热性，实验本体温度能够迅速上升到预设温度并趋于稳定，而实验所需要的

3、温度是本体内部待测流体的温度，这两个温度间有一定的温度梯度且达到稳定所需要的时间不同，所以希望通过模拟来观察测量室内部的情况及达到稳定所需要的时间，从而能够准确判定待测流体是否处于稳定状态并对实验结果进行温度修正，提高实验结果的准确性。1数值计算1.1物理模型密度计的主要部件为磁悬浮耦MSC，其核心为两个磁体，且两磁体被几乎无磁性的测量本体上壁面隔开。上面磁体为电磁体，直接与天平相连，通过调节电流的大小来控制磁性强弱，从而将下面磁体吸引上升到不同位置；下面磁体为永磁体，浸没在待测流体中，连接有托杆

4、，能够托起或放下浮子，从而达到对浮子称重的目的。实验本体外壁盘有紫铜蛇形盘管，连接外循环恒温油浴。实验中，恒温油通过盘管来加热实验本体，而后实验本体通过导热向内部传热，在内部测量室壁面处通过对流向内部待测流体传热，直至温度达到稳定。本体和盘管外面用铝箔包裹后再用双面镀铝聚氨酯薄膜和高强度涤纶网制成的多层真空隔热材料包裹，最外侧罩有密闭金属防辐射罩，其间抽真空，以减小对流换热和辐射散热[7]。密度计内部结构3D图和剖面图如图1所示。图1磁悬浮密度计内部结构3D图和剖面图及监测点M1-M10位置示意图

5、如图1所示，密度计结构复杂，全部建模计算量太大，也没有必要。为此我们选取磁悬浮耦MSC部分进行建模计算，包括实验本体、竖直悬挂于天平之下的电磁体和置于测量室中的永磁体、浮子及浮子托杆等，外加位于MSC底端的密封凸缘。为提高网格精度，采用非均匀非结构化网格，网格划分如图2所示。图2密度计网格划分1.2数学模型数学模型的控制方程包括质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程。连续性方程：（1）动量守恒方程：（2）能量守恒方程：（3）其中：（4）（5）式中，v为流体速度，ρ为密度，µ为流体动力粘度，λ为流

6、体导热系数，p为压强，t为时间，x,y,z为坐标。1.3边界条件考虑到实验本体由通过盘管的恒温油浴来加热，且盘管和本体间接触良好，所以本体外侧壁面设为定温壁面。由于隔绝了本体对外部的辐射和对流传热，所以除本体侧壁设为定温壁面外，模型其他外壁均设为绝热壁面。1.4网格独立性检验为了验证计算结果的准确性，本文对建立好模型进行网格划分，得到网格数分别为147536，32130，893655，1575305的四套网格系统。计算得到各监测点温度随网格数的变化，从而验证网格的独立性。后两组网格所计算得到的结果

7、相差小于3%。综合考虑计算精度及计算经济性，选取第三组网格，数目为893655。2模拟结果及分析2.1N2在P=20atm、ΔT=10K工况下模拟结果分析本文所研究工质为高纯氮气，先算得其在293.16K的稳态状况，然后设定本体定温壁面为303.16K，故氮气非稳态升温至303.16K。所涉及升温幅度为10K，除密度外的其他物性在此温差下的变化都忽略不记。密度采用不可压缩理想气体（IIG）方法处理。计算操作环境设定为20atm，即2.026Mpa。在永磁体连杆、浮子、测量室和实验本体上分别取监测点

8、(表1)，监测点随时间温升情况，如图3和图4。由图3可以看到各监测点温度快速上升，随时间推进温度上升速度逐渐减弱。图4为各监测点在半小时到一个半小时内的升温情况，可以看到在这一小时内各监测点温度升幅0.005K之内，结合温度计的不确定度，我们可以认为此刻温度计已经达到稳定状态。图3密度计各监测点半小时内的温升曲线图4密度计各监测点半小时到一个半小时内的温升曲线图5一个半小时后密度计纵剖面的温度云图图5为稳定后实验本体的温度分布，从中可以看到本体侧壁被加热后，热量向本体内部传递，在测