流量傳感器仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

摘"要：“傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)”是融合多學(xué)科知識(shí)的理工科相關(guān)專業(yè)的重要課程。在教學(xué)中，為更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，在分析課程內(nèi)容特點(diǎn)、學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)和教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，本文提出融合多科知識(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)策略。以文丘里管和孔板流量傳感器為例，介紹計(jì)量原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和流動(dòng)方程，借助軟件進(jìn)行幾何建模和數(shù)值模擬，比較分析兩種流量傳感器的流場(chǎng)仿真結(jié)果。所做工作有助于學(xué)生直觀理解所學(xué)知識(shí)，提升學(xué)生綜合能力，為理工科的專業(yè)課教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：流量；傳感器；仿真；項(xiàng)目；設(shè)計(jì)

“傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)”課程（以下簡(jiǎn)稱傳感器課程）是機(jī)電類和電子信息類等相關(guān)專業(yè)的核心課程，是多學(xué)科知識(shí)相融合的專業(yè)基礎(chǔ)課程。為使教師更好地講授，學(xué)生更好地掌握這門課程，需要在分析課程、學(xué)生和教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略。基于此，本文提出融合多科知識(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)策略，并以差壓式流量計(jì)為例，進(jìn)行仿真項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

1"課程教學(xué)分析

（1）課程內(nèi)容特點(diǎn)。傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電量，完成這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的器件。傳感器課程是機(jī)電類和電子信息類等相關(guān)專業(yè)的核心課程，通常在大三開設(shè)。傳感器課程主要包含電阻、電感、電容、壓電、超聲、霍爾、光學(xué)和位置等傳感器的基礎(chǔ)理論、電路設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試等。傳感器課程內(nèi)容涉及電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和機(jī)械等眾多學(xué)科領(lǐng)域，知識(shí)覆蓋面相對(duì)較廣；密切相關(guān)的課程有“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“電工學(xué)”“單片機(jī)”“程序設(shè)計(jì)”“化學(xué)”和“力學(xué)”等。傳感器課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，需要密切聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，注重概念理解［12］。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)課程的特點(diǎn)。多數(shù)學(xué)生重視并認(rèn)真學(xué)習(xí)該課程，但也存在一些問(wèn)題。與某些考研初試課程相比，部分學(xué)生不夠重視傳感器課程，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高。此外，部分學(xué)生存在學(xué)科基礎(chǔ)不扎實(shí)、不善于思考、主觀能動(dòng)性和動(dòng)手實(shí)踐能力較差等現(xiàn)象，使得傳感器方面的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)薄弱，不善于發(fā)現(xiàn)工程問(wèn)題，較難做到學(xué)以致用。

（3）教學(xué)要求。在工程專業(yè)認(rèn)證和應(yīng)用型本科專業(yè)創(chuàng)建的背景下，對(duì)專業(yè)課程的教學(xué)提出了新要求。工程專業(yè)認(rèn)證的要點(diǎn)是以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向和持續(xù)的教學(xué)質(zhì)量改進(jìn)，使學(xué)生能夠針對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)與模擬，并理解其局限性。工程專業(yè)認(rèn)證能促進(jìn)應(yīng)用型本科專業(yè)的創(chuàng)建，能促使學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識(shí)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

（4）教學(xué)策略。在傳感器課程教學(xué)中，針對(duì)存在的理論教學(xué)內(nèi)容枯燥和實(shí)踐教學(xué)效果欠佳，學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)及工程應(yīng)用能力與教學(xué)要求存在差距，以及學(xué)生興趣不足和學(xué)習(xí)積極性低等問(wèn)題，在教學(xué)方法及形式方面，將講授知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。采用理論與工程實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合的方式，利用軟件進(jìn)行生產(chǎn)及生活中典型傳感器的仿真實(shí)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、協(xié)同合作和探索創(chuàng)新，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)參與意識(shí)。加深理解和掌握傳感器理論知識(shí)，增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力，提升傳感器課程的教學(xué)效果。

（5）仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。根據(jù)以上分析，提出工程實(shí)踐教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的教學(xué)策略。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎C合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)，分析原理和結(jié)構(gòu)，借助合適的軟件進(jìn)行建模和結(jié)果分析。傳感器仿真的優(yōu)點(diǎn)是將傳感器的測(cè)量原理、測(cè)量過(guò)程和測(cè)量結(jié)果等，以圖形、動(dòng)畫和視頻的方式清晰直觀地表達(dá)出來(lái)，彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高感性認(rèn)識(shí)，提升學(xué)習(xí)興趣。傳感器仿真的更重要優(yōu)點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生綜合使用數(shù)理化、電工電子、機(jī)械等多學(xué)科知識(shí)，進(jìn)行建模仿真和數(shù)據(jù)分析，促進(jìn)理論知識(shí)的理解，提升學(xué)生融會(huì)貫通、綜合應(yīng)用創(chuàng)新能力，為學(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽和畢業(yè)論文服務(wù)。基于此，本文以差壓型流量傳感器為例，借助COMSOL軟件進(jìn)行傳感器的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)（見圖1）。

2"項(xiàng)目實(shí)例設(shè)計(jì)與分析

2.1"設(shè)計(jì)方案

差壓式流量傳感器作為經(jīng)典流量計(jì)，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624中，對(duì)文丘里管、孔板和噴嘴等流量計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)、適用介質(zhì)和雷諾數(shù)等，進(jìn)行了指定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化［3，4］。因此，采用差壓式流量傳感器類別中的文丘里管和孔板流量傳感器作為項(xiàng)目的研究對(duì)象。

（1）幾何模型。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確定文丘里管和孔板流量傳感器的幾何模型。為便于比較，兩種流量傳感器的所在管道直徑、直徑比、上游直管段、下游直管段等參數(shù)均相同，依次為50mm、0.6mm、750mm、500mm。此外，對(duì)于文丘里管，圓錐收縮段角度21°、圓錐擴(kuò)散段角度8°、上游取壓口直徑4mm、下游喉部取壓口直徑3.3mm。對(duì)于孔板，孔板厚度1.5mm、節(jié)流孔厚度0.5mm、孔板斜角45°，上游和下游的取壓口直徑均為5mm。采用1∶1比例，建立三維模型（見圖2）。

（2）網(wǎng)格及求解設(shè)置。網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，為提高微小結(jié)構(gòu)處如曲面交界處等的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，適當(dāng)減小了網(wǎng)格的最小單元尺寸。文丘里管和孔板的網(wǎng)格單元數(shù)分別為5.8萬(wàn)和11.8萬(wàn)。求解時(shí)，流體為水，入口和出口的邊界條件分別為速度和壓力，用穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解。

（3）計(jì)算理論。在湍流模型中，二方程模型是最重要的湍流模型。二方程模型包括標(biāo)準(zhǔn)kε、kω和RNG"kε等湍流模型。二方程模型中，kε模型使用較廣泛，定常狀態(tài)的表達(dá)式如下。

ujuixj=xj1ρ（μ+μt）uixj－1ρpxi（1）

ujkxj=xj1ρμ+μtσkkxj+Gk－ε（2）

ujεxj=xj1ρμ+μtσεεxj+εkCε1Gk－Cε2ε（3）

式（1）—式（3）中k、ε、p、u、ρ和μ依次為湍動(dòng)能、耗散率、壓力、速度、密度和黏度，σk、σε、Cε1、Cε2和Cμ為湍流模型常數(shù)，其值依次為1.0、1.3、1.44、1.92和0.09，μt為動(dòng)力黏度，μt=ρCμ（k2/ε），Gk為湍動(dòng)能生成項(xiàng)，Gk=（μt/ρ）S2，S為平均流剪應(yīng)變率幅值［5］。kε模型計(jì)算量和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量較小，計(jì)算資源耗費(fèi)低，雷諾數(shù)計(jì)算范圍寬，廣泛用于數(shù)值模擬領(lǐng)域。

（4）結(jié)果驗(yàn)證。選擇流出系數(shù)進(jìn)行仿真結(jié)果驗(yàn)證。首先，在上游和下游的取壓口處，分別提取靜壓的表面平均值，得到壓差。其次，根據(jù)流出系數(shù)公式，計(jì)算得到仿真的流出系數(shù)值。最后，以GB/T"2624給出的流出系數(shù)值為基準(zhǔn)，并將其與仿真的流出系數(shù)值相比較，得到仿真的相對(duì)誤差［3，4］。在雷諾數(shù)范圍為0.5萬(wàn)至50萬(wàn)時(shí)，文丘里管和孔板分別取5個(gè)和8個(gè)雷諾數(shù)（見圖4），根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，文丘里管和孔板仿真的流出系數(shù)相對(duì)誤差分別為095%和1.18%，與GB/T2624給出的流出系數(shù)不確定度接近，計(jì)算方案得到驗(yàn)證。

2.2"結(jié)果分析

在經(jīng)過(guò)管道軸向中心線的截面上，管道入口雷諾數(shù)相同時(shí)，文丘里管和孔板的流速和壓力分布見圖3。（1）流速分布見圖3（a）和圖3（c）。對(duì)于文丘里管和孔板，在經(jīng)過(guò)節(jié)流件時(shí)，流速突然增大，在喉部或節(jié)流孔增至最大，離開節(jié)流件后，流速開始降低。對(duì)于文丘里管和孔板，與管道中心相比，管道壁面附近的流體速度明顯降低。在流場(chǎng)形態(tài)方面，與文丘里管相比，孔板節(jié)流件附近的下游存在較明顯的漩渦。（2）壓力分布見圖3（b）和圖3（d）。對(duì)于文丘里管和孔板，流體在經(jīng)過(guò)節(jié)流件時(shí)，壓力突然下降，在喉部或節(jié)流孔降至最低，離開節(jié)流件后，壓力開始升高。對(duì)于文丘里管和孔板，在節(jié)流件處，流體速度與流體壓力的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)相反的特征。

在管道軸向中心線上，管道入口雷諾數(shù)相同時(shí)，文丘里管和孔板的流速和壓力變化，見圖4（a），分析如下。在節(jié)流件處，文丘里管和孔板的流速變化特征類似，均呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。在節(jié)流件處，文丘里管和孔板的壓力變化特征也類似，均呈現(xiàn)先降后升的現(xiàn)象。在節(jié)流件處，文丘里管的流速和壓力變化劇烈程度小于孔板。此外，在遠(yuǎn)離節(jié)流件的下游，文丘里管和孔板的流速和壓力值呈現(xiàn)出接近的現(xiàn)象。

在管道上游和下游的取壓口處，管道入口雷諾數(shù)不相同時(shí)，文丘里管和孔板的流速、上游取壓口壓力、下游取壓口壓力和上下游取壓口壓差等的變化，分別見圖4（b）和圖4（c）。對(duì)于文丘里管和孔板，上游和下游的取壓口壓力值分別為正值和負(fù)值，隨雷諾數(shù)增加，流速值、上游壓力值、下游壓力絕對(duì)值和壓差值均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)雷諾數(shù)相同時(shí)，文丘里管和孔板的入口流速相同，而文丘里管的上游壓力值、下游壓力絕對(duì)值和壓差值均小于孔板。

綜上所述，文丘里管和孔板均屬于差壓式流量計(jì)，其流場(chǎng)形態(tài)既相似，也存在差異。流場(chǎng)形態(tài)相似是因?yàn)閮烧呔鶎儆诠?jié)流件，遵循節(jié)流原理。而流場(chǎng)形態(tài)存在差異源于節(jié)流件結(jié)構(gòu)特征的差異。文丘里管的節(jié)流件包含收縮段、喉部和擴(kuò)散段三部分，而孔板的節(jié)流件主要含節(jié)流孔，兩者結(jié)構(gòu)特征存在差異。

結(jié)語(yǔ)

在傳感器課程教學(xué)中，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，在分析課程、學(xué)生和教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以文丘里管和孔板流量傳感器為例，融合多科目知識(shí)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。本文介紹了基本結(jié)構(gòu)、計(jì)量原理和所用的湍流模型方程，用數(shù)值模擬方法，進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分和計(jì)算設(shè)置。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用流出系數(shù)驗(yàn)證仿真準(zhǔn)確度，比較了幾何形狀和流動(dòng)條件引起的流場(chǎng)特征及其差異。所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的多科目知識(shí)，解決了復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，有助于學(xué)生加深對(duì)課程知識(shí)的理解和應(yīng)用，提升學(xué)生綜合能力，為理工科的專業(yè)課教學(xué)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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［3］用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量.第4部分：文丘里管，GB/T"2624.42006［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［4］用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量.第2部分：孔板，GB/T"2624.22006［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［5］張建，楊慶山.基于標(biāo)準(zhǔn)kε模型的平衡大氣邊界層模擬［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（6）：729735.

基金項(xiàng)目：湖北文理學(xué)院2023年教學(xué)研究類項(xiàng)目工程實(shí)踐專項(xiàng)（JY2023060）；湖北文理學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金（2059055）

通信作者：孫彥招（1984—"），男，漢族，河南平頂山人，博士研究生，講師，研究方向：傳感檢測(cè)。