液体微小流量的非定常流测量原理与方法的研究

论文摘要

随着流体系统向微小化方向的发展,对微小流量进行精确测量的需求越来越多。在医疗器械、流体元件检漏、不规则零件配合公差检验、微小流体器件流动特性研究、微小孔径或毛细管管径测量和生化防护等领域中,常常要对被测试件的微小流量（每分钟几毫升至几百毫升）进行高精度的测量,一般是在定常流条件下进行微小流量的测量。目前,定常流条件下测量流量时,测量系统必须具备高精度的液体恒压装置,这增加了测量系统的复杂性；再有,常用的流量仪表对于微小流量的测量存在误差大、仪表自身压力损失大等问题,难以直接应用于微小流量的测量系统中,定常流条件下测量微小流量的原理实质上就是“秒表-量杯法”,测量的自动化程度不高、操作复杂。针对目前微小流量测量中的上述问题,本文提出了一种用非定常流等效定常流测量微小流量的原理及其实现方法。基于流体力学非定常流伯努利积分理论,建立了圆角薄壁小孔、锐缘薄壁小孔和细长圆管等三种典型微小流道自由出流时,非定常流等效定常流测量应满足的水头适用条件；得出了典型微小流道中非恒定水头的非线性微分方程,分析了非定常流等效定常流测量的理论误差,并实验验证了理论分析的正确性。基于非定常流等效定常流测量微小流量的原理,成功研制出了一种人工机械心脏瓣膜返流量测量装置并实现产业化；针对静脉输液针的通流检测试验,设计出了多段标定的非定常流流量测量装置；针对水压轴向柱塞泵中配流盘摩擦副的间隙检测,设计出了通过测量间隙泄漏流量确定摩擦副间隙的测量装置。论文的主要内容：第1章,阐述了本课题的研究意义和目的,概述了微小流量测量的研究现状和发展状况,现有方法存在的问题,概述了本文的主要研究内容。第2章,在定常流条件下,建立了圆角薄壁小孔、锐缘薄壁小孔和细长圆管等三种典型微小流道自由出流的流动模型,基于流体力学定常流伯努利方程,推导出了典型微小流道出流的流量计算公式。根据微小流量测量的特点,分别设计了静态质量法、静态容积法、动态质量法和动态容积法测量装置,并指出了定常流条件下微小流量测量存在的问题。第3章,提出了用非定常流等效定常流测量微小流量的原理,在非定常流条件下,建立了典型微小流道自由出流的流动模型,基于非定常流伯努利积分,推导出了非定常水头下典型微小流道出流的流量计算公式,由此建立了非定常流等效定常流测量微小流量时,测量装置应满足的水头适用条件,并求解分析了理论误差。第4章,建立了微小流量的非定常流测量实验装置,对标准流量块进行了非定常流条件下的实际流量测量,该测量结果与定常流条件下的实际测量结果进行了对比,得出“实测的误差随着被试件过流断面面积a与测量容器过流断面面积A的比值a/A增大而增大”的结论,验证了理论分析的正确性。对测量的误差来源做了分析,提出了理论误差的补偿方法,第5章,介绍了人工机械心脏瓣膜返流量的非定常流测量装置研制过程,对本文提出的微小流量非定常流等效定常流的测量原理进行实际应用和验证。第6章,针对静脉输液针的通流检测试验,设计出了多段标定的非定常流流量测量装置；针对水压轴向柱塞泵中配流盘摩擦副的间隙检测,设计出了通过测量间隙泄漏流量确定摩擦副间隙的测量装置。最后,总结了本论文的研究工作和结论,展望了未来的研究工作。本文的主要创新点概括如下：（1）提出了用非定常流等效定常流测量微小流量的原理及其实现方法,为微小流量的测量方法及测量装置的设计提供了新的思路。（2）基于流体力学非定常流伯努利积分原理,得出了非定常流等效定常流测量微小流量的面积适用条件和水头适用条件。（3）研制成功了人工机械心脏瓣膜返流量的非定常流测量装置,并实现产业化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题来源和研究的意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的背景、目的和意义
• 1.1.3 推广应用前景
• 1.2 微小流量测量的研究现状
• 1.2.1 微小流量测量的特点
• 1.2.2 微小流量测量仪表研究现状
• 1.2.3 微小流量测量装置研究现状
• 1.3 本课题研究的主要内容、技术路线及需解决的技术关键
• 1.3.1 研究的指导思想
• 1.3.2 主要研究内容、技术路线及拟解决的技术关键与难点
• 第2章 微小流量定常流测量方法
• 2.1 微小流量定常流测量方法
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 微小流量的定常流测量原理
• 2.2 微小流量的定常流测量理论计算
• 2.2.1 定常流下圆角薄壁小孔出流模型的流量计算
• 2.2.2 定常流下锐缘薄壁小孔出流模型的流量计算
• 2.2.3 定常流下细长圆管出流模型的流量计算
• 2.2.4 细长圆管出流模型时水头高度的限制
• 2.2.5 平面缝隙和圆环缝隙出流模型流量计算
• 2.2.6 定常流自由出流流量计算小结
• 2.3 微小流量定常流测量装置设计方法
• 2.3.1 微小流量测量装置特点
• 2.3.2 静态质量法液体微小流量测量装置
• 2.3.3 动态质量法液体微小流量测量装置
• 2.3.4 静态容积法液体微小流量测量装置
• 2.3.5 动态容积法液体微小流量测量装置
• 2.3.6 标准表法液体微小流量测量装置
• 2.4 微小流量测量的定常流方法存在的问题
• 2.4.1 稳压源的获得复杂
• 2.4.2 存在换向器误差
• 2.4.3 存在被试件出口背压问题
• 2.4.4 存在液柱误差
• 2.5 小结
• 第3章 微小流量的非定常流测量原理
• 3.1 微小流量的非定常流测量
• 3.1.1 问题的提出
• 3.1.2 微小流量的非定常流测量原理
• 3.1.3 微小流量的非定常流等效定常流测量的数学基础
• 3.2 微小流量的非定常流等效定常流测量的适用条件
• 3.2.1 等效测量的面积适用条件
• 3.2.2 等效测量的水头适用条件
• 3.2.3 考虑容器上部不是大气压时的水头适用条件
• 3.3 微小流量非定常流测量的非定常流伯努利积分
• 3.3.1 细长圆管出流的非定常流伯努利积分
• 3.3.2 圆角薄壁小孔出流的非定常流伯努利积分
• 3.3.3 锐缘薄壁小孔出流的非定常流伯努利积分
• >d细长圆管出流的非定常流伯努利积分'>3.3.4 L>>d细长圆管出流的非定常流伯努利积分
• 3.3.5 细长圆管层流出流的稳定时间
• 3.4 微小流量的非定常流等效定常流测量的理论误差
• 3.4.1 圆角薄壁小孔出流模型等效测量的理论误差
• 3.4.2 锐缘薄壁小孔出流模型等效测量的理论误差
• >d细长圆管出流模型等效测量的初步分析'>3.4.3 L>>d细长圆管出流模型等效测量的初步分析
• 3.4.4 细长圆管出流模型的一种简单情况
• 3.5 小结
• 第4章 微小流量的非定常流测量实验研究
• 4.1 微小流量非定常流等效定常流测量实验装置
• 4.1.1 实验装置工作原理
• 4.1.2 实验装置参数选择
• 4.1.3 实验装置主要元件选择
• 4.1.4 微小流量实验装置特点
• 4.2 实验方案
• 4.2.1 系统标定
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 实验结果分析
• 4.3.1 非定常流实验结果与定常流实验结果的对照分析
• 4.3.2 实验装置的误差来源
• 4.3.3 误差修正方法
• 4.4 小结
• 第5章 人工机械心脏瓣膜返流量非定常流测量装置研制
• 5.1 人工机械心脏瓣膜返流量测量装置
• 5.2 人工机械心脏瓣膜返流量非定常流测量装置设计指标
• 5.3 人工机械心脏瓣膜返流量非定常流测量装置标定
• 5.4 人工机械心脏瓣膜返流量非定常流测量装置的功能
• 5.5 小结
• 第6章 微小流量的非定常流测量原理的其它工程应用
• 6.1 一次性使用静脉输液针非定常流流量测量装置
• 6.2 水介质端面配流液压泵的磁力补偿配流副间隙测量装置
• 6.3 小结
• 结论与展望
• 1. 本文研究总结
• 2. 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的论文及其它成果
• 附录B 部分程序源代码