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悬浮式磁流体惯性传感黏阻与量程可控机
理
第30卷第5期
10月
暨南大学(自然科学版)
JournalofJinanUniversity(NaturalScience) V0l|
()9
悬浮式磁流体惯性传感黏阻与量程可控机理
徐晨,刘桂雄,张沛强
(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640) [摘要]实现悬浮式磁流体惯性传感的量程控制核心在于分析基于典型黏性流体力学理论的动态黏度特性和
,
同动力黏度下,对作简谐运动的传感运动块进行流阻力进行数值计算,成果表明:质量块所受黏阻力重要是两侧压
力差,压力差随时间呈现简谐特性,幅值与磁流体动力黏度有较好的线性关系;在选定实验参数后研究成果为压差
.,,且随着动力黏度增大而减少,当运动黏度达成75pma?S时,相位超
前量变化趋缓.
[核心词]磁流体;惯性传感;黏阻尼
[中图分类号】[文献标记码】A[文章编号]1000—9965()05—0469—05
Analysisoftheviscousdampingcontrollableprincipleofthe
suspendinertialsensorsbasedonmagneticfluid
XUChen,LIUGui-xiong,ZHANGPei—qiang
(SchoolofMech8nicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China)
[Abstract]Inordertorealizetheexpandedmeasurementrangeofthesuspendinertialsensorsbased
onmagneticfluid,itisthekeytoanalysisthecharacteristicofdynamicviscosityandthemovementofthe
fluid—
,numericanalysisre—
—
tionindicatesthatthemainpartoftheviscousdampwhichmassbodysuffersisthedifferenceofthepres—
havethelinearityrelationshipwhittheviscosityofthemagneticfluid.?
entheparametersoftheexperi—
mcntarecorrfirmed,.,
andthephaseadvanceofthecutstressislessthan15..Astheviscosityofthemagneticfluidincreases,
,whenviscosityofthemagneticfluidisover75pma?S,the
changeofthephaseadvanceiSverysmal1.
[Keywords]magneticfluid;inertialsensors;viscousdamping
[收稿日期]—10一o9
[基金项目]国家自然科学基金项目(50775077);高等学校博士学科点专项科研基
金项目()
[作者介绍]徐晨(1979一),男,博士硕士,研究方向:新型智能传感基础理论,E—
mail: 通讯作者:刘桂雄(1968一),男,专家,博士生导师,研究方向:新型智能传感基础理论,
当代检测技术与网络化控制,无线传感器
—mail: 470暨南大学(自然科学版)第3O卷
磁流体是一种新型兼有磁性物体和流体特性的 纳米功效材料,磁性体浸人磁流体含有近似真空中 的零重力条件下自悬浮能力且位置可控].基于磁 流体动力学的特点,磁流体收到外加磁场的Kelfin 磁力与流体动力无关J,在磁流耦合过程中能够将 该磁性体受到的磁场力与磁流体动力进行叠加], 磁流体在外加磁场下黏度将发生变化,这是最后求 解磁性体运动规律的核心,因此磁流体黏度——传 感黏阻关系是实现传感量程可控的重要环节-7]. 本文在建立间隙流动模型基础上,讨论新型惯性传 感黏阻可控机理,通过分析封闭腔中压强分布规律 实现黏度——黏阻模型建立.
1磁流体惯性传感黏阻模型分析
图1a所示磁流体惯性传感构造中,磁性质量块 在二次磁浮力的作用下可自悬浮于密封腔内,当无 外力作用时候,质量块符合稳定悬浮条件,能够自回 复至容器的几何中心,该二次悬浮状态是一定存在 且含有唯一性….
当磁性质量块在传感腔体里运动时,磁流体受
到挤压造成左右两侧产生压强差,同时磁流体在挤 压作用下流过腔体与质量块之间的间隙,磁性质量 块受到剪切力??.在非重力场中,左右压力差及间 隙剪切力合力构成质量块运动阻力(如图1b).若 磁性质量块相对于传感腔体作简谐振动,两侧压强 差值也一定是一种简谐函数,且与质量块运动存在 相位差,同时间隙内水平方向压强梯度为恒值,小间 隙构造内流体垂直方向流速为零,即=0,由持续 ,'
方程可得=,则可得 00:::::::::::'::::::::::'.::::::::
l,止动磁铁2,磁流体3,磁性质量块4,腔体 (a)磁流体传感器构造简图
(b)间隙内流动示意图
图l惯性传感构造
间隙内流动的动量方程幢为:
:_
1塑la2u
4-(1)ata一=,一I,lpxay,'
其中,?和p分别是间隙内磁流体流速和压强,p和 得边界条件为(为方便方程求解,采用复数形式): rY=0,M=一UoCOS(cot+): {一VoRe[exp(if+i)](2) I,y=,=0
其中:,和分别是质量块作简谐运动的速度 =一pP()=一pAc0s(:
将间隙流速表达为?(Y,t)=Re[f(Y)exp [xp(i】?
一i丢【i)】+?IV,J
?sinh[(1+i)】.(6)
=
Re{【一i+s+
?sinh(1+i)?】exp(i)(7)
M:i一v0exp(i)
?:量::二】
sinh[c6]
第5期徐晨,等:悬浮式磁流体惯性传感黏阻与量程可控机理471
由于磁流体不可压缩,即j.(y,,)dy:(?,+ )r,L可得压强差幅值及相位差的关系式以下: 『l-i丢+sh(1+i)+
sinh(1+i)dy=Uoexp(i(9) 同时可由牛顿切应力公式得到磁性质量块表面剪切 应力式以下:
=Re【-i丢?+
?sinh(1+i)]唧(i)(1.)
2数值计算及分析
为得到在不同黏度条件下的黏阻特性,以图1 (a)为实验模型进行密封传感构造中黏阻有限元数 值计算,模拟中选用尺寸20mm×60mm的圆柱 形封闭腔容器,选用10mm×30mm圆柱形质量 块,采用ALE移动网格划分,内腔边界进行简谐运 动加载,方程见式(2),取?=10竹rad/s,= m/,液体密度p, ,前期磁黏实验中已得到该类磁流体动 力黏度变化为6,96m?ps.
以式(4)为模型,采用动态有限元办法进行数
值计算,得到为磁流体动力黏度为50mpa?s,周期 初始时刻的流动速度分布图(见图2).能够看出在 周期初始时刻,磁性质量块以最大速度往左运动,腔 内磁流体在质量块的挤压下,通过间隙由左腔往右 (a)所示可知,封闭腔容器内靠近两端 处均存在流动死区, 运动过程中左右两侧存在流体对流而产生左右压强 差, 流动速度分布曲线如图2(b),图示表明在质量块上 侧外表面(y=0处)存在速度梯度,由此可知质量块 后速度最大值出现在y=,可知间隙内 流体流动梯度是非对称的,即再次证明两端流体压 差一定对妨碍质量块运动起重要作用. .
要在动态条件下考察磁流体惯性传感构造中黏 阻效应,能够在式(9),(10)基础上得到在一定驱 动规律下流动过程中的压强和剪切应力的变化规 控性机理分析的核心.
(a)速度场分布
y|10m
(b)间隙间速度分布
图2周期初始时刻磁流体速度
0
0lO82l
(a)压强分布
(b)压差随时间变化
图3腔体内压强分布及压差变化
(1)封闭腔内压强分布
在运动周期初始刻,磁流体在腔体的压强分布 432lO123456
OO0O
^../^
暨南大学(自然科学版)第3O卷
见图3(a),间隙内磁流体的压强从右到左减低,此 左右两侧面的压强差为?P=P一P,,?P在一种周 期内的变化状况见图3(b).从图中看出,起妨碍质 量块运动作用的封闭腔中压强差变化近似简谐函 数,几乎与速度函数反相,但相位比速度反相函数提 ,因此 只有压强差比速度反相函数相位前移才干确保间隙 (b)可知,在动力黏 度为50mpa?s时,. (2)间隙中剪切力间隙内的剪切应力是构成阻 碍质量块运动的另一种重要因素,图4绘出当动力 黏度为50mpa?S时,间隙剪切应力在一种周期内 谐函数,相位较速度反相函数略有超前,.. 图4剪切应力随时间变化状况
在封闭腔速度分布,压强分布,间隙剪切力计算 基础上,结合式(9),(1O)实现对黏度一黏阻模型数 ,流体内摩擦将逐步增 大,使得腔体间隙流动更困难,质量块两侧的压强差
(a)为质量块两侧压差相 对质量块位移的变化状况,从压强达成极值时质量 块的位移状况可知,黏度增大使压强差极值增加,同 差幅值和超前相位作多项式拟合可得图5(b),能够 看出压强差与黏度呈线性关系;当动力黏度达成75 pma?s时,相位超前量达成22.,相位差变化趋于 平缓.
按以上思路进行剪切应力数值分析,得到图5 (c),能够看到与压强差变化类似,黏度增大也造成 剪切应力增大;且通过拟合后得到图5(d),图中黏 矗
A
0
司
lOm
(a)两侧压强差随运动块位置的变化
r//mpa?S
(b)不同粘度下两侧压强差幅值及相位超前
(c)剪切应力随运动块位置的变化
r//(mpa?S)
(d)不同黏度下剪切应力幅值及相位超前 图5不同黏度下黏阻力效果
第5期徐晨,等:悬浮式磁流体惯性传感黏阻与量程可控机理473
黏度增加而单调递减,在动力黏度达成75pma?S 时,.,相位差变化也趋于平缓. 3结论
磁流体惯性传感含有量程可控特性,磁黏阻规 律研究是探索该特性的核心问题之一,本文在封闭 腔流动理论基础上,进行磁流可控机理数值分析,得 到下列几点结论:
(1)通过理论建模和数值计算得到在悬浮式磁 流体惯性传感构造中,封闭腔内磁性质量块运动过 程中受到的妨碍重要由压强差及间隙内剪切应力两 部分构成.
(2)当磁性质量块做简谐振动时,构造间隙内 流体流动梯度是非对称的,证明磁性质量块两端流 体压差一定对妨碍质量块运动有作用;同时运动过 程中压差及剪切应力曲线都是简谐函数,但方程中 相位超前量比质量块运动方程反相函数有所超前, 其中压差相位超前22.,4O.,剪切应力超前在15. 以内.
(3)磁流体动力黏度可在6m?ps,96nl?ps 内变化,随黏度增大质量块两侧压差和上表面间隙 处剪切应力的幅值也在增大,且与黏度变化呈线性 关系;黏度的增加造成压差和剪切应力函数相位超 前量递减,且当磁流体动力黏度达成某一定值后,上 述相位超前量变化趋缓.
(4)由于存在磁流体黏度一传感黏阻关系,可 以有效控制磁性质量块所受阻力并能最后实现对新 颖惯性传感量程的控制.
[参考文献]
[1]刘桂雄,徐晨,张沛强, 磁力学建模及自悬浮位置可控性[J].物理, ,59(3):2321—2325.
[2]刘桂雄,蒲尧萍,-
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2503.
[3]徐展,刘桂雄,张沛强,
流耦合机理及流固构造[J].光学精密工程,,16 (5):965—970.