一种表面带有仿生微结构的V锥流量计

摘要

本发明公开的一种表面带有仿生微结构的V锥流量计，包括管道、V形锥体、支撑杆及低压取压管，V形锥体通过支撑杆固定于管道内部，V形锥体表面设置了若干数量的微结构，管道上还设有高压取压管及恢复压力取压管，高压取压管位于V形锥体上游，恢复压力取压管位于V形锥体下游，低压取压管位于高压取压管及恢复压力取压管之间；低压取压管依次穿过支撑杆与V形锥体的后锥体顶点处的低压取压面相连通。通过在V锥锥体表面布置肋条、凹槽、凸包、凹坑等仿生微结构中的一种，或者布置两种及两种以上的微结构，合理设计微结构的宽高比、间距、数量、布置方式等参数，进而获得最优的表面微结构的结构参数，最终实现减阻的目的。

权利要求

1.一种表面带有仿生微结构的V锥流量计，其特征在于，包括管道(1)、V形锥体(2)、支撑杆(3)及低压取压管(4)，所述V形锥体(2)通过支撑杆(3)固定于管道(1)内部，所述V形锥体(2)表面设置了若干数量的微结构(8)，所述管道(1)上还设有高压取压管(5)及恢复压力取压管(6)，所述高压取压管(5)位于V形锥体(2)上游，所述恢复压力取压管(6)位于V形锥体(2)下游，所述低压取压管(4)位于高压取压管(5)及恢复压力取压管(6)之间；所述低压取压管(4)一端端部依次穿过支撑杆(3)与V形锥体(2)的后锥体顶点处的低压取压面(7)相连通，所述管道(1)的两端分别还设有法兰；

所述微结构(8)为沿锥体表面布置的肋条，肋条的截面形状为圆弧形或半圆形，所述肋条截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W；

或，

所述微结构(8)为沿锥体表面布置的凹槽，凹槽的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W；

或，

所述微结构(8)为沿锥体表面布置的凸包，凸包的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1；

或，

所述微结构(8)为沿锥体表面布置的凹坑，凹坑的截面形状为圆弧形或半圆形，凹坑截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1。

2.根据权利要求1所述的一种表面带有仿生微结构的V锥流量计，其特征在于，所述凸包数量为多个，并在V形锥体(2)表面纵横对齐整齐排列或在V形锥体(2)表面纵横交错排列或在V形锥体(2)表面不规则排列。

3.根据权利要求1所述的一种表面带有仿生微结构的V锥流量计，其特征在于，所述凹坑数量为多个，并在V形锥体(2)表面纵横对齐整齐排列或在V形锥体(2)表面纵横交错排列或在V形锥体(2)表面不规则排列。

4.根据权利要求1所述的一种表面带有仿生微结构的V锥流量计，其特征在于，所述微结构(8)为肋条、凹槽、凸包或凹坑微结构中的两种及两种以上的微结构混合使用，所述微结构(8)为沿锥体表面布置的肋条时，肋条的截面形状为圆弧形或半圆形，所述肋条截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W；

所述微结构(8)为沿锥体表面布置的凹槽时，凹槽的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W；

所述微结构(8)为沿锥体表面布置的凸包时，凸包的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1；

所述微结构(8)为沿锥体表面布置的凹坑时，凹坑的截面形状为圆弧形或半圆形，凹坑截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1。

说明书

一种表面带有仿生微结构的V锥流量计

技术领域

[0001] 本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种表面带有仿生微结构的V锥流量计。

背景技术

[0002] V锥流量计是一种边壁收缩型节流式差压流量计，其V形锥体与管道同轴安装在测量管中，流体通过锥体逐渐节流，收缩到管道内壁附近，并在锥体的两端产生差压。其中，高压取压口位于V锥上游流体收缩前的管壁上，低压取压口则位于锥体下游端面锥中心轴处，穿过锥体，经由支撑杆引出管外。V锥流量计的结构特点使得流体逐渐收缩到管内边壁，因而与传统的孔板流量计相比具有一系列优点，主要包括：1)信号稳定，V锥差压信号噪声低，信噪比高；2)精度较高(±0.5％～±1.0％)，重复性好(±0.1％)；3)压力损失低，远远低于孔板；4)量程比宽，可达到10：1～15：1；5)流动调整功能强，受上游来流扰动影响较小，所需直管段短(上游0～1D，下游0～3D)；6)自清洁功能，受脏污介质影响较小；7)静态混合功能；8)维护成本低。值得注意的是，虽然V锥流量计的压力损失远低于孔板流量计，但是与文丘里流量计相比，其仍然存在压损较大，流出系数较低的缺陷，制约了其进一步推广使用。V锥流量计节流锥体作为差压产生的一次元件，其结构形式对流量计压力损失的影响极为关键。

[0003] 基于仿生的减阻是一种具有广阔应用前景的流动减阻技术，在诸多行业中取得了较好的应用。生物经过亿万年不断的自适应、自学习、自重构、自繁殖而不断进化，形成了相当稳固的对外界环境的适应性，进而形成适合其自身生存的表面外形结构。例如：鲨鱼表皮均匀排布的V型沟槽非光滑结构可大大减小其在水下高速游动的阻力；贝类生物壳体上的非光滑环状波纹结构可以减小水流对壳体表面产生的摩擦阻力；蜣螂头部的凸包结构以及黄缘真龙虱体表的凹坑结构均能够实现减阻效果。仿生减阻已在航空、航天、船舶、交通、能源、水利以及日常生活等行业得到了成功的应用，其中，鲨鱼皮泳衣和高尔夫球即为两个最为成功的应用案例。专利201511022654.5(公开号：CN 105644770A，公开日期：20160608)公布了一种仿鲨鱼皮的减阻机翼，通过仿鲨鱼皮肋条结构，改变飞机周围的流场的特性，从而减少飞机飞行所受阻力。专利201410061037.5(公开号：CN 103821801A，公开日期：20140528)公布了一种减阻肋条，可用于减少飞行器、水下航行器以及地面交通工具的表面摩擦阻力。专利201710073763.2(公开号：CN 106585949A，公开日期：20170426)公布了一种仿生鲨鱼皮减阻结构，用于机翼翼根等容易产生紊流的部位附近，从而起到减阻作用。专利
201410134718.X(公开号：CN 103910023A，公开日期：20140709)公布了一种新型高效水翼，可以降低水翼对水的摩擦阻力和粘滞阻力，增加驱动水翼艇等运载工具的能量效率，在提高船舶航速的同时达到节能减排的有益效果。专利201510867217.7(公开号：CN 
105501237A，公开日期：20160420)公布了一种高速列车减阻装置，可达到降低整车气动阻力的目的，有较好的减阻效果。专利201510882259.8(公开号：CN 105332778A，公开日期：
20160217)公布了一种具有椭圆形凹槽内表面的仿生减阻排气管，利用椭圆形凹槽自身结构改变流体在接触表面的流动场，达到减小排气系统内空气的流动阻力的效果。专利
201610102613.5(公开号：CN 105626350A，公开日期：20130601)公布了一种采用沟槽减阻的混流式水轮机转轮，可以有效的降低水轮机转轮的表面阻力，提高水轮机效率。专利
201621253932.8(授权公告号：206555624U，授权公告日：20171013)公布了一种具有微沟槽减阻结构的管道，降低了管道表面湍动能及速度梯度，从而达到减阻效果。

[0004] 综上所述，通过仿生表面微结构可以有效的实现减阻。将肋条、凹槽、凸包、凹坑等仿生微结构应用到V锥流量计锥形节流元件的设计制造之中，有望开发出一款低压损的V锥流量计，进而实现流动阻力的减小，达到节能减排的目的。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种表面带有仿生微结构的V锥流量计，能够增强其减阻效果，实现降低压力损失的目的，同时提高V锥流量计的流出系数。

[0006] 本发明所采用的技术方案是：一种表面带有仿生微结构的V锥流量计，包括管道、V形锥体、支撑杆及低压取压管，V形锥体通过支撑杆固定于管道内部，V形锥体表面设置了若干数量的微结构，管道上还设有高压取压管及恢复压力取压管，高压取压管位于V形锥体上游，恢复压力取压管位于V形锥体下游，低压取压管位于高压取压管及恢复压力取压管之间；低压取压管一端端部依次穿过支撑杆与V形锥体的后锥体顶点处的低压取压面相连通，管道的两端分别还设有法兰。

[0007] 本发明的特点还在于：

[0008] 微结构为沿锥体表面布置的肋条，肋条的截面形状为圆弧形或半圆形，肋条截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W。

[0009] 微结构为沿锥体表面布置的凹槽，凹槽的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W。

[0010] 微结构为沿锥体表面布置的凸包，凸包的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1。

[0011] 凸包数量为多个，并在V形锥体表面纵横对齐整齐排列或在V形锥体表面纵横交错排列或在V形锥体表面不规则排列。

[0012] 微结构为沿锥体表面布置的凹坑，凹坑的截面形状为圆弧形或半圆形，凹坑截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1。

[0013] 凹坑数量为多个，并在V形锥体表面纵横对齐整齐排列或在V形锥体表面纵横交错排列或在V形锥体表面不规则排列。

[0014] 微结构为肋条、凹槽、凸包或凹坑微结构中的两种及两种以上的微结构混合使用。

[0015] 微结构为沿锥体表面布置的肋条时，肋条的截面形状为圆弧形或半圆形，肋条截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W；

[0016] 微结构为沿锥体表面布置的凹槽时，凹槽的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W；

[0017] 微结构为沿锥体表面布置的凸包时，凸包的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1；

[0018] 微结构为沿锥体表面布置的凹坑时，凹坑的截面形状为圆弧形或半圆形，凹坑截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1。

[0019] 本发明的有益效果是：通过在V锥表面设置不同的减阻微结构，破坏了流动边界层，使带微结构锥体表面的壁面剪切应力与光滑锥体表面相比大大降低，从而使得V锥流量计流动阻力减小，压力损失降低，同时提高了流出系数；合理设计减阻微结构参数，可获得10％～15％的减阻率，实现节能量的大幅度提高；所设置的肋条和凹槽微结构加工较为简单，并不会显著增加V锥流量计的成本。

附图说明

[0020] 图1是本发明的基于仿生减阻的V锥流量计结构示意图；

[0021] 图2是本发明的V形锥体表面肋条微结构减阻效果图；

[0022] 图3是本发明的V形锥体表面肋条微结构布置示意图；

[0023] 图4是图3A处的放大图；

[0024] 图5是本发明的V形锥体表面凹槽微结构布置示意图；

[0025] 图6是图5B处的放大图；

[0026] 图7是本发明的V形锥体表面凸包微结构布置示意图；

[0027] 图8是图7C处的放大图；

[0028] 图9是本发明的V形锥体表面凹坑微结构布置示意图；

[0029] 图10是图9D处的放大图。

[0030] 图中，1.管道，2.V形锥体，3.支撑杆，4.低压取压管，5.高压取压管，6.恢复压力取压管，7.低压取压面。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0032] 本发明提供了一种表面带有仿生微结构的V锥流量计，如图1所示，包括管道1、V形锥体2、支撑杆3及低压取压管4，V形锥体2通过支撑杆3固定于管道1内部，V形锥体2表面设置了若干数量的微结构8，管道1上还设有高压取压管5及恢复压力取压管6，高压取压管5位于V形锥体2上游，恢复压力取压管6位于V形锥体2下游，低压取压管4位于高压取压管5及恢复压力取压管6之间；低压取压管4一端端部依次穿过支撑杆3与V形锥体2的后锥体顶点处的低压取压面7相连通，管道1的两端分别还设有法兰。高压取压管5和低压取压管4分别与差压传感器的高压和低压端通过导压管相连，进而实现差压的测量。V锥流量计的压力损失由高压取压管5和下游恢复压力取压管6之间的压力差计算得到。

[0033] 基于仿生学原理，在V形锥体2的前锥体和后锥体表面上设置不同的微结构，包括肋条、凹槽、凸包及凹坑。微结构可以布置肋条、凹槽、凸包、凹坑微结构中的一种，或者布置两种及两种以上的微结构混合使用。

[0034] 微结构8为沿锥体表面布置的肋条，肋条的截面形状为圆弧形或半圆形，所述肋条截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W；优选地，当W:H＝2:1，L＝W时，V锥流量计具有较优的减阻效果。

[0035] 微结构8为沿锥体表面布置的凹槽，凹槽的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W；优选地，当W:H＝2:1，L＝W时，V锥流量计具有最优的减阻效果。

[0036] 微结构8为沿锥体表面布置的凸包，凸包的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1；凸包数量为多个，并在V形锥体2表面纵横对齐整齐排列或在V形锥体2表面纵横交错排列或在V形锥体2表面不规则排列。

[0037] 微结构8为沿锥体表面布置的凹坑，凹坑的截面形状为圆弧形或半圆形，凹坑截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1；凹坑数量为多个，并在V形锥体2表面纵横对齐整齐排列或在V形锥体2表面纵横交错排列或在V形锥体2表面不规则排列。

[0038] 实施方式一：

[0039] 在V形锥体表面布置肋条微结构，其示意图如图3所示。肋条沿锥体表面周向布置，其截面为半圆形或圆弧形结构，肋条的宽为W，高为H，相邻肋条间距为L。肋条横截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W，优选地，当W:H＝2:1，L＝W时，V锥流量计具有最优的减阻效果。定义减租率DR为

[0040]

[0041] 式中，Δω′为V锥流量计锥体表面布置微结构后的压力损失，Δω为V锥流量计锥体表面未布置微结构的压力损失。

[0042] DR为负值时，表明V锥流量计流动阻力减小，反之，流动阻力增大，如图2所示。图3及图4为V形锥体表面布置肋条微结构，H＝0.6mm，W＝1.2mm，L＝1.2mm时，V锥流量计的减阻效果。可知，减阻率可达到15％。

[0043] 实施方式二：

[0044] 在V形锥体表面布置凹槽微结构，其示意图如图5及图6所示。凹槽沿锥体表面周向布置，凹槽的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1，相邻肋条间距L为，L＝(0～2)W，优选地，当W:H＝2:1，L＝W时，V锥流量计具有最优的减阻效果。

[0045] 实施方式三：

[0046] 在V形锥体表面布置凸包微结构，其示意图如图7及图8所示。凸包的截面形状为圆弧形或半圆形，凹槽截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1。凸包数量为多个，并在V形锥体表面纵横对齐整齐排列或在V形锥体表面纵横交错排列或在V形锥体表面不规则排列。

[0047] 实施方式四：

[0048] 在V形锥体表面布置凹坑微结构，其示意图如图9及图10所示。凹坑的截面形状为圆弧形或半圆形，凹坑截面的宽度W与高度H之比，W:H＝2:1～4:1。凹坑数量为多个，并在V形锥体表面纵横对齐整齐排列或在V锥表面纵横交错排列或在V锥表面不规则排列。

[0049] 本发明的优点是：通过在V锥表面设置不同的减阻微结构，破坏了流动边界层，使带微结构锥体表面的壁面剪切应力与光滑锥体表面相比大大降低，从而使得V锥流量计流动阻力减小，压力损失降低，同时提高了流出系数；合理设计减阻微结构参数，可获得10％～15％的减阻率，实现节能量的大幅度提高；所设置的肋条和凹槽微结构加工较为简单，并不会显著增加V锥流量计的成本。