V 錐流量計(jì)表面壓力分布的數(shù)值模擬研究
V 錐流量計(jì)表面壓力分布的數(shù)值模擬研究
V 錐流量計(jì)是近年發(fā)展勢頭良好、優(yōu)點(diǎn)突出的一類新型流量測量裝置。V 錐流量計(jì)包括一個(gè)在測量管中同軸安裝的尖圓V 錐體和相應(yīng)的取壓口。該測量管是預(yù)先精密加工好的, 在尖圓錐體的兩端產(chǎn)生差壓, 只要采用合適的檢測方法從V 錐體附近周期振動(dòng)的流速、壓力中提取出頻率, 那么, 就可以得到管道內(nèi)被測流體的流量值。V 錐流量計(jì)的性能在很大程度上受到V 錐體流場結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部參數(shù)分布的影響。因此, 研究V 錐錐流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)特性對改善其測量性能具有十分重要的意義。由于V 錐體的阻流作用, 流體在管道內(nèi)的流動(dòng)是強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng), 通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法和圖像顯示技術(shù), 可以得到在時(shí)間和空間上定量描述流場的數(shù)值解。目前, 湍流的模擬有雷諾平均法、大渦模擬法和渦方法等..1- 3..。在雷諾數(shù)較小時(shí), 數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際情況符合較好, 但是在雷諾數(shù)較大時(shí), 數(shù)值模擬的結(jié)果還不盡如人意。
網(wǎng)格劃分和邊界條件
在模擬過程中, V 錐流量計(jì)的計(jì)算域簡化為具有圓形進(jìn)出口邊界的軸對稱二維幾何模型, 坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在V 錐體的前端尖嘴處, 如圖1 所示。圖1 給出了管道和V 錐體的二維計(jì)算域及其網(wǎng)格的示意圖。為了模擬實(shí)際流動(dòng)狀況, 利用Gambit 軟件生成了結(jié)構(gòu)化格..4- 6..。由于V 錐體附近流場變化劇烈, 因此, 對其周圍的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理。各求解變量收斂殘差值設(shè)置為1 .. 10- 3。入口邊界設(shè)置為沿管道軸向均勻速度入口, 其他方向速度均為0。出口邊界設(shè)置為壓力出口, 壓力出口處的表壓為0。管道和V 錐體均設(shè)置固體, 壁面處無滑移。
數(shù)值模擬結(jié)果分析
圖2、圖3 給出了介質(zhì)為水、入口速度為v = 2 m/ s時(shí)的V 錐流場中靜壓和動(dòng)壓的分布情況?？梢钥闯? 流體從V 椎體兩側(cè)脫離形成旋渦, 分離點(diǎn)在四邊形的短邊上。流體流過V 椎體后, 旋渦在向下游運(yùn)動(dòng)的同時(shí), 旋渦強(qiáng)度也逐漸由強(qiáng)變?nèi)?。相?yīng)的, 靜壓和動(dòng)壓也都是在旋渦發(fā)生體附近較強(qiáng), 在向下游運(yùn)動(dòng)的過程中, 強(qiáng)度也逐漸減弱。顯然, 旋渦的變化使流場內(nèi)各種參數(shù)都隨之發(fā)生波動(dòng), 因此, 通過檢測V 椎體尾部變化的某一參數(shù)可以獲取流體流動(dòng)特征。由于動(dòng)壓的檢測比較困難, 需要將測量件伸入管道內(nèi), 因此, 不適宜作為反映V 錐體特性的被測特征參數(shù)。而管壁處靜壓的測量相對來說要簡單容易得多, 取壓裝置垂直于流動(dòng)方向且位于管壁上, 同時(shí)其值只需采用普通的壓力傳感器即可測得。圖2.. V 錐體流場數(shù)值模擬的靜壓場為了定量比較V 椎體流場空間中不同位置處靜壓和動(dòng)壓的大小, 圖4、圖5 給出靜壓和動(dòng)壓在不同位置處的變化情況。
從圖4、圖5 可以看到, 流場中靠近V 錐體靜壓和動(dòng)壓有較明顯的波動(dòng), 沿流動(dòng)方向在0~ 100 mm 區(qū)間內(nèi)波動(dòng)明顯、幅度, 即在距離V 錐體一定范圍內(nèi), 越靠近V 錐體, 靜壓和動(dòng)壓幅度越大。而在垂直流動(dòng)方向上V 錐體前端尖嘴處的靜壓和動(dòng)壓也具有較大的幅度變化, 如圖6、圖7 所示。圖6.. V 錐體流場數(shù)值模擬的靜壓分布( 徑向) 圖7.. V 錐體流場數(shù)值模擬的動(dòng)壓分布( 徑向)
結(jié)論
流體流過V 錐體后, 旋渦在向下游運(yùn)動(dòng)的同時(shí), 旋渦強(qiáng)度逐漸由強(qiáng)變?nèi)? 旋渦的變化使流場內(nèi)靜壓和動(dòng)壓等各種參數(shù)都隨之發(fā)生波動(dòng)。V 錐流量計(jì)中靠近V 錐體的表面壓力有較明顯的波動(dòng), 在距離V 錐體一定范圍內(nèi), 越靠近V 椎體, 表面壓力幅度越大。
總之,V 錐流量計(jì)表面壓力可以較好地表征流體流動(dòng)的變化過程, 通過采用合適的檢測和信號處理方法可以使人們從多個(gè)角度來提取V 錐體特性。并且, 關(guān)于V 錐流量計(jì)內(nèi)部流場的定性或半定量的認(rèn)識將有助于優(yōu)化V 錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改善其測量性能。
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