[发明专利]一种旋流磨损颗粒检测传感器及其分散效果分析方法

权利要求书

1.一种旋流磨损颗粒检测传感器，其特征在于：包括湍流分离区和磨粒检测区，所述湍流分离区为一带有空腔的圆盘，所述圆盘的内壁为圆柱面，所述圆盘的侧壁处设置有向外突出的延伸管，所述延伸管上开设有油液入口，所述油液入口偏置设置于所述圆盘上，所述圆盘上设置有油液出口，所述油液出口与所述磨粒检测区的进口连通，其中，润滑油液从偏置的所述油液入口进入并在所述圆盘内实现旋流运动，所述湍流分离区内呈现高速流区和低速流区以实现润滑油液中磨损颗粒团的分散，从而团聚的磨损颗粒团在旋流中受到离心力及速度梯度力的作用而实现分散，以保证各磨损颗粒独立通过所述磨粒检测区。

2.根据权利要求1所述的旋流磨损颗粒检测传感器，其特征在于：所述油液出口的中心线与所述油液入口的中心线相互垂直，所述油液出口设置在所述圆盘的底面上且与所述圆盘共轴线。

3.根据权利要求2所述的旋流磨损颗粒检测传感器，其特征在于：所述圆盘的所述底面上固定且连通有锥型罩，所述油液出口通过所述锥型罩与所述磨粒检测区的进口连通，所述磨粒检测区的外壁上开设有凹槽，所述凹槽中用于绕设检测线圈。

4.根据权利要求1所述的旋流磨损颗粒检测传感器，其特征在于：所述圆盘侧壁的另一处设置有向外突出的连接管，所述油液出口设置在所述连接管上，所述连接管上套设有检测线圈，所述延伸管与所述连接管平行。

5.根据权利要求4所述的旋流磨损颗粒检测传感器，其特征在于：所述延伸管和所述连接管的厚度均与所述圆盘的厚度相等，所述延伸管的外壁和所述连接管的外壁与所述圆盘中心的间距相等。

6.一种旋流磨损颗粒检测传感器的分散效果分析方法，其特征在于：应用权利要求1-5中任一项所述的旋流磨损颗粒检测传感器，并包括以下分析步骤：

第一步，判断湍流分离区内润滑油液的流动状态：

将润滑油液经油液入口通入圆盘，利用如下公式计算润滑油液的雷诺数，

式中，ρ为润滑油液密度，ν为润滑油液速度，d为磨损颗粒检测传感器的管路直径，μ为润滑油液动力粘度，根据润滑油液的雷诺数判断湍流分离区内润滑油液的流动状态；

第二步，对润滑油液中磨损颗粒团的分散效果进行仿真：

所述的旋流磨损颗粒检测传感器用于对润滑油液中的磨损颗粒进行检测，机械设备初期异常磨损阶段产生的磨损颗粒直径为50～100μm，且磨损颗粒在润滑油液中体积分数低于10％，所以在磨损颗粒团的分散研究过程中将各磨损颗粒均视为离散相，采用欧拉-拉格朗日方法对磨损颗粒的受力及运动情况进行建模，同时综合考虑各湍流模型的特点，选用κ-ε模型，并通过求解湍流变量得到湍流涡流和平均涡寿命引起的速度脉冲，进而与拉格朗日颗粒模型进行耦合，以对润滑油液中磨损颗粒团的分散效果进行仿真；其中，对于稳态不可压缩流动，使用κ-ε湍流模型时所求解的方程为

湍动能产生项p_k为：

式中：ρ为润滑油液流体密度，u为润滑油液流体速度，κ为湍动能，ε为湍动能耗散系数，为湍流粘性系数，F为外部力；

第三步，对湍流分离区中旋流状态下的磨损颗粒进行仿真：

当润滑油液通过油液入口进入湍流分离区中呈旋流运动状态时，对旋流运动状态下的磨损颗粒的受力情况进行建模，且不考虑其他固体颗粒对磨损颗粒团的碰撞效应以及在流体中的旋转，此时，金属磨损颗粒在旋流磨损颗粒检测传感器中运动时受到重力、浮力、流体曳力、液桥力及和saffman力的综合作用，各独立磨损颗粒的运动方程均由牛顿第二定律进行描述，

式中：m_p为磨损颗粒质量，q_i为磨损颗粒i的位置，F_Mi为磨损颗粒i所受磁力，F_Gi为磨损颗粒i所受重力，F_μi为磨损颗粒i所受浮力，κ为磨损颗粒系统中颗粒数量，F_cont,i为磨损颗粒i所受的来自其他颗粒的液桥力，F_Di为磨损颗粒i所受流体的拖曳力，F_Si为磨损颗粒i所受saffman力；

对磨损颗粒团的分散效果进行仿真时需耦合麦克斯韦方程组对多个磨损颗粒团中磁感应强度分布进行计算，

并得到了磨损颗粒团内的电磁力

式中μ₀为真空磁导率，n代表法向量；

磨损颗粒团自身重力F_G及浮力F_u分别为：

固体颗粒在流体中运动并相互碰撞时形成动态液桥，当流体粘度较高或颗粒运动速度较低时，多颗粒间碰撞产生的反弹力不足以完全克服液桥力，此时运动的固体颗粒会被彼此俘获而形成颗粒团，研究表明颗粒团内液桥力表征为：

F_L＝F_cap+F_vis (13)

式中：为毛细管力，为粘性耗散力，γ为液体表面张力，

球体颗粒在流体中所受的拖曳力表征为：

式中：u为磨损颗粒位置处的流体流速，ν为磨损颗粒运动速度，τ_p为磨损颗粒松弛时间，SI单位：s

式中：ρ_p为磨损颗粒密度，d_p为磨损颗粒直径，ρ为润滑油液流体密度，C_D为曳力系数；

曳力系数C_D的确定取决于流体中颗粒的相对雷诺数Re_r，当磨损颗粒为球形时，相对雷诺数表征为：

当磨损颗粒相对雷诺数Re_r远小于1时，适用于斯托克斯曳力定律，此时曳力系数及磨损颗粒松弛时间分别表征为：

磨损颗粒在有速度梯度的流场中运动时，由于磨损颗粒上下部分的流速差异，导致磨损颗粒会受到一个沿垂直方向的作用力，当磨损颗粒上部的速度大于磨损颗粒下部的速度时，该力的合力表现为向上的升力，该升力即为saffman力，如方程(19)

C_μ,C_ε1,C_ε2,σ_ε,σ_k均为无量纲常数。