優(yōu)化設(shè)計渦街流量計的結(jié)構(gòu)及選取*佳取壓位置，由于旋渦產(chǎn)生和脫落機(jī)理的復(fù)雜性，迄今為止對渦街流量計流場的認(rèn)識幾乎全部依賴經(jīng)驗和實驗，介紹應(yīng)用FLUENT6.0計算軟件，對DN50渦街流量計流場進(jìn)行了數(shù)值仿真，就旋渦發(fā)生體的旋渦脫落頻率與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，結(jié)果表明，數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果具有很好的一致性，提出了可以根據(jù)數(shù)值仿真來優(yōu)化設(shè)計渦街流量計結(jié)構(gòu)及選取*佳取壓位置的結(jié)論。
渦街流量計是基于流體振蕩原理的一種新型流量測量儀表，具有其他許多流量儀表無法同時具備的優(yōu)，因而發(fā)展迅速，應(yīng)用日趨廣泛。測量原理如圖1所示，管道中垂直插入一非流線型對稱形狀的旋渦發(fā)生體（bluff body），當(dāng)流體繞過發(fā)生體時，在發(fā)生體兩側(cè)會交替產(chǎn)生規(guī)則的旋渦，頻率為fo經(jīng)過推導(dǎo)，流體的體積流量qv與旋渦頻率f符合以下公式：
qv=f/K （1）
式中：K為流量計的流量系數(shù)。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)K為常數(shù)，所以流量qv與旋渦頻率f具有線性關(guān)系。只要測出f，就能求得體積流量qvo所以，旋渦頻率f的檢測是渦街流量計的關(guān)鍵。目前，f常用安裝在管壁或旋渦發(fā)生體內(nèi)的傳感器來測量。
由于旋渦發(fā)生體的阻流作用，管道中的流場變得非常復(fù)雜，難以解析地求得流場分布情況，所以至今人們對旋渦發(fā)生體后旋渦的形成和脫落的認(rèn)識仍然幾乎全部依賴于經(jīng)驗和實驗[7]。這對于優(yōu)化現(xiàn)有渦街流量計的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計新型渦街傳感器都十分不利。
數(shù)值仿真方法求解問題的基本思想是：把原來在空間與時間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場（如速度、溫度、濃度等），用一系列有限個離散點（稱為節(jié)點）上的值的集合來替代，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程（稱為離散方程），求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值[8]。數(shù)值仿真方法具有成本較低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點。經(jīng)過一定考核的數(shù)值仿真軟件可以拓寬實驗研究的范圍，減少成本昂貴的實驗工作量。在給定的參數(shù)下用計算機(jī)對現(xiàn)象進(jìn)行一次數(shù)值仿真相當(dāng)于進(jìn)行一次數(shù)值實驗，歷也曾有過首先由數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象而后由實驗予以證實的例子。計算機(jī)出現(xiàn)后，特別是在*近20年中，數(shù)值仿真得到了飛速的發(fā)展，出現(xiàn)了FLUENT，PHOENICS和CFX等多種用于流動數(shù)值仿真的通用軟件。其中，F(xiàn)LUENT軟件*新版本采用基于*非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，能夠生成不連續(xù)網(wǎng)格，并支持變形網(wǎng)格和滑動網(wǎng)格，物理模型豐富，求解速度快，因而應(yīng)用范圍廣泛。
本文從描述旋渦運動的流體力學(xué)基本方程出發(fā)，以CFD軟件FLUENT為平臺對渦街流量計的流場進(jìn)行數(shù)值仿真，并將仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較，結(jié)果表明：數(shù)值仿真結(jié)果與實際流動狀況具有很好的一致性。
1 仿真模型
1.1 控制方程組
流體在渦街流量計管道中的流動為時變渦流。綜合考慮仿真精度和計算成本，作者采用基于Reynolds Averaged Navier-Stokes（RANS）方法的Renormalitation Group（RNG）k -ε模型[9-11]。
雷諾平均Navier-Stokes（N-S）方程組為
為使以上方程組封閉，引入雷諾應(yīng)力公式：
式中：μ為流體動力粘度；μt為流體湍動粘度；δij為Kroneck符號；k為湍流動能。
RNG k -ε方程組為
式中：Gk為湍流動能生成項；Gb為湍流動能擴(kuò)散項；YM為湍流動能耗散項；αk，αε為k，ε的逆有效普朗特數(shù)；Sk，Sε為自定義源項。
有效粘度公式為
式中：
當(dāng)雷諾數(shù)較大時，式（6）可化簡為
式中：Cμ=0.0845。
Rε項計算式為
式中：η=Sk/ε。
以上各計算式中的常數(shù)取值分別為C1ε=1.42，C2ε=1.68，Cμ=0.0845，αk=αε≈1.393，Cv≈100，η0=4.38，β=0.012。
1.2 物性參數(shù)
仿真流體采用空氣，溫度為室溫（293K），壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325Pa），其物性參數(shù)如下：密度ρ=1.225kg/m3，動力粘度μ=1.7894×10-5kg/（m·s）。
2 實驗裝置
實驗采用口徑為50mm的氣體渦街流量檢測裝置，旋渦發(fā)生體截面為等邊三角形，迎流面寬度為14mm。標(biāo)準(zhǔn)裝置采用鐘罩式氣體流量裝置。旋渦頻率信號通過嵌入在旋渦發(fā)生體內(nèi)的壓電晶體元件檢測，經(jīng)信號放大后利用Tektronix TDS 430A雙通道數(shù)字示波器記錄采樣信號。渦街流量計標(biāo)定精度為0.5級。實驗條件與仿真定義的條件相同。
3 結(jié)果與討論
3.1 仿真過程
數(shù)值仿真使用的CFD分析軟件FLU-ENT6.0，以及前處理網(wǎng)格生成軟件GAMBIT2.0，基本過程如圖2所示。
在仿真中，置有渦街流量計的管道被簡化為具有圓形進(jìn)出口邊界的軸對稱三維幾何模型。圖3所示為z=0截面（z軸方向垂直紙面向外）管道和發(fā)生體的二維示意圖，發(fā)生體位于x=100mm處。為了真實地模擬實際流動狀況，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計算采用RNG k - ε雷諾平均模型。仿真流體定義為空氣。環(huán)境壓力定義為大氣壓，即101325Pa；管道進(jìn)口定義為沿管道軸向均勻速度入口，其它方向的速度為0，出口定義為壓力出口。不同流速的流動情況通過改變?nèi)肟谒俣葀in來模擬。各求解變量收斂標(biāo)準(zhǔn)均為殘差值小于0.001。為了，使得每個周期內(nèi)取樣點的數(shù)目不小于10，時間步長隨入口速度的不同而相應(yīng)改變。
3.2 仿真與實驗結(jié)果比較
在入口速度為5~30m/s的范圍內(nèi)進(jìn)行一系列的仿真計算，圖4所示為渦街脫落頻率實驗值與仿真值的比較。從圖中可以看出仿真結(jié)果與實驗結(jié)果非常吻合，其*大誤差小于10%，證明了數(shù)值仿真方法用于渦街流量計流場研究的可行性和正確性。
對于不同的入口速度vin，管道內(nèi)旋渦脫落、壓力場以及速度場的分布情況相似，區(qū)別僅在于旋渦脫落頻率f及振幅不同，以下以vin=30m/s為例進(jìn)行具體分析。
圖5所示為某一時刻旋渦脫落的數(shù)值仿真結(jié)果。圖中定性的給出了流場分布，其中白色三角形為旋渦發(fā)生體，黑白兩種顏色表示旋渦的渦量方向相反?？梢钥闯觯l(fā)生體尾流中的旋渦在發(fā)生體的兩側(cè)有規(guī)律地交替形成和脫落，旋轉(zhuǎn)方向相反，并且隨著x的增加旋渦強(qiáng)度逐漸強(qiáng)弱。
3.3 渦街壓力信號與*佳取壓位置
根據(jù)渦街流量計的基本原理，作者認(rèn)為在管壁上開孔安裝壓力傳感器，通過檢測尾流中壓力（或差壓）周期變化的頻率來檢測旋渦脫落頻率f是一種可行的、操作簡便的方法。但是，關(guān)于如何選取取壓孔位置的研究還很少見。通過分析比較管壁附近靜壓特性的數(shù)值仿真值為確定渦街壓力信號*佳取壓位置提供了依據(jù)。
圖6所示為z=0，y=-20mm直線上不同x處的靜壓值（坐標(biāo)系的定義見圖3）。從圖中可以看出，各處的頻率f穩(wěn)定且相等，但是幅值變化較大。在距發(fā)生體迎流面較近處（如圖6中x=110，125mm），靜壓波動的幅值較小；當(dāng)距發(fā)生體迎流面的距離介于管徑的1~1.5倍之間時（如圖6中x=150，175mm），靜壓波動的幅值大且均勻穩(wěn)定；當(dāng)距發(fā)生體迎流面的距離大于管徑的2倍即x>200mm時（如圖6中x=215mm），靜壓的波動變得非常微弱。
根據(jù)這一研究結(jié)果，可以確定取壓的*佳位置在發(fā)生體下游距發(fā)生體迎流面的距離等于管徑1~1.5倍的區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)測得的旋渦信號強(qiáng)且穩(wěn)定。在該區(qū)間之外由于信號都較微弱，給檢測帶來了困難，需要用高精度的儀表和信號處理裝置，增加了檢測的費用。
4 結(jié)束語
本文根據(jù)旋渦運動的流體力學(xué)基本方程，以的CFD分析軟件FLUENT為平臺，對典型的渦街流量計流場進(jìn)行數(shù)值仿真研究。實驗研究表明，數(shù)值仿真結(jié)果與實際流動狀況具有很好的一致性。該方法具有成本較低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點，具有很好的實用價值。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，本文提出了采用檢測旋渦發(fā)生體后壓力的交變信號來檢測渦街頻率的*佳采樣位置。這一研究結(jié)果為采用數(shù)值仿真方法優(yōu)化現(xiàn)有渦街流量計結(jié)構(gòu)乃至設(shè)計新型
渦街流量計提供了依據(jù)。
苍山县|
鹤庆县|
五寨县|
武宣县|
思茅市|
白沙|
五原县|
绥棱县|
漳州市|
巫溪县|
玉溪市|
宁国市|
环江|
措美县|
黔江区|
确山县|
阿拉善左旗|
长子县|
阿克苏市|
沙河市|
东方市|
乌拉特前旗|
瓮安县|
辽宁省|
双流县|
威宁|
江门市|
乌拉特中旗|
罗江县|
旌德县|
内乡县|
温泉县|
长春市|
黎川县|
雷山县|
山阳县|
英超|
右玉县|
花垣县|
揭东县|
大荔县|