渦街流量計在蒸汽、空氣及水介質(zhì)下的仿真分析

蒸汽作為一種重要的二次清潔能源，在電廠(chǎng)、石油化工、食品、機械加工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和人民的日常生活中占據了越來(lái)越重要的地位。為了提高蒸汽的計量水平，研究者開(kāi)發(fā)了標準孔板、噴嘴以及渦街流量計等多種類(lèi)型的蒸汽儀表，而在眾多類(lèi)型蒸汽儀表中，渦街流量計以其結構簡(jiǎn)單、測量范圍寬、壓損小、測量時(shí)無(wú)可動(dòng)件等優(yōu)點(diǎn)在蒸汽計量中得到快速的推廣和使用。

隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，采用數值仿真的方法研究流體流場(chǎng)能夠實(shí)時(shí)、直觀(guān)地觀(guān)察到流場(chǎng)的變化，對研究流場(chǎng)具有很強的指導意義。近幾年來(lái)，不少學(xué)者利用計算機仿真對渦街流量計特性進(jìn)行了大量研究，李玲首次采用基于RNG方法的湍流模型對流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，并通過(guò)實(shí)驗數據驗證了仿真結果的可靠性；吳文權采用基于離散渦方法對非定常流場(chǎng)進(jìn)行了數值仿真，研究了流體運動(dòng)中結構尺寸對旋渦的影響；李曉渝運用離散渦的方法解釋了二維鈍體繞流問(wèn)題；孫志強等人應用Fluent仿真軟件對渦街流量計流場(chǎng)進(jìn)行仿真，仿真結果與實(shí)測結果具有很好的一致性。然而受蒸汽高溫高壓特性和蒸汽實(shí)流標定裝置的限制，目前還缺乏對渦街流量計在蒸汽介質(zhì)下的特性研究，本文研究的重點(diǎn)就是利用Fluent軟件對渦街流量計進(jìn)行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的仿真研究，并與實(shí)驗數據進(jìn)行對比分析，找到不同介質(zhì)對渦街流量計特性的影響規律。

1 渦街流量計

渦街流量計（又稱(chēng)旋渦流量計）是根據“卡門(mén)渦街”原理研制成的流體振蕩式流量測量?jì)x表。所謂“卡門(mén)渦街”現象就是在測量管道流動(dòng)的流體中插入一根（或多根）迎流面為非流線(xiàn)型的旋渦發(fā)生體，當雷諾數達到一定值時(shí)，從旋渦發(fā)生體下游兩側交替地分離釋放出兩串規則的交錯排列的旋渦，這種旋渦稱(chēng)為卡門(mén)渦街。在一定雷諾數范圍內，旋渦的分離頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，旋渦的頻率正比于管道流體流量，并可由各種型式的傳感器檢出，渦街流量計工作原理如圖1所示。

U—被測介質(zhì)來(lái)流的平均流速；U1—發(fā)生體兩側的平均流速；

d—發(fā)生體迎流面的寬度；D—管道直徑。

圖1 渦街流量計工作原理圖

卡門(mén)渦街頻率計算公式為：

    （1）

式中：f為旋渦頻率；Sr為斯特勞哈爾數；m為旋渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比，不可壓縮流體中，由于流體密度ρ不變，由連續性方程可得到m=U/U₁。

由此可得體積流量q_v為：

    （2）

所以渦街流量計的儀表系數K可表示為：

    （3）

不同介質(zhì)對渦街流量計性能的影響最終體現在儀表系數的差異上，所以本文使用Fluent軟件建立渦街流量計的幾何模型，然后對不同介質(zhì)下的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并仿真得到不同介質(zhì)下的儀表系數，最終通過(guò)實(shí)驗驗證得到空氣和水作為替代介質(zhì)導致的與蒸汽實(shí)流標定得到的儀表系數的差異。

2 仿真模型與條件的設定

2.1 仿真模型

選擇DN100口徑的渦街流量計進(jìn)行研究，利用Gambit軟件建立渦街流量計幾何模型并劃分網(wǎng)格，渦街流量計發(fā)生體橫截面網(wǎng)格如圖2所示。

Gx—軸向坐標；Gy—縱坐標；Gz—橫坐標。

圖2 渦街流量計發(fā)生體橫截面網(wǎng)格圖

為了提高計算效率，渦街發(fā)生體處重點(diǎn)加密，其他區域適當的稀疏。從圖2可以看出，渦街發(fā)生體所處流場(chǎng)網(wǎng)格均勻加密。通過(guò)加密畫(huà)法，靠近渦街發(fā)生體的橫截面網(wǎng)格較密，遠離渦街發(fā)生體而靠近管壁的網(wǎng)格較稀疏。

2.2 仿真條件設定

仿真選擇三種流體材質(zhì)，分別為空氣和蒸汽兩種可壓縮流體以及不可壓縮的水，在Fluent中空氣和蒸汽材質(zhì)通過(guò)設定氣體的密度選項來(lái)實(shí)現。對于不可壓縮流體選擇的密度為常數；空氣介質(zhì)選擇默認密度1.225kg/m³，其密度設定為理想氣體，在迭代計算的過(guò)程中，根據氣體狀態(tài)方程壓強的變化修正流體的密度；蒸汽介質(zhì)的密度根據IF－97公式，利用UDF編程設置。

仿真模型選擇RNGk－ε雙方程湍流模型，該模型可以很好地處理高應變率以及流線(xiàn)彎曲程度較大的流體流動(dòng)，非常適合具有旋渦脫落現象的渦街流場(chǎng)仿真。

3 流場(chǎng)仿真分析

根據公式（1）可知，影響渦街流量計旋渦頻率的是發(fā)生體兩側的流速U₁和發(fā)生體的結構，由于發(fā)生體結構尺寸是固定的，因此頻率只與U₁相關(guān)，需要觀(guān)測在相同入口流速U的條件下U₁變化來(lái)得到頻率的變化，而速度的變化必然會(huì )導致流體密度的變化，因此可觀(guān)測發(fā)生體兩側的密度云圖，來(lái)判斷可壓縮性對渦街流量計流速U₁的影響，通過(guò)仿真得到如圖3（a）所示的不可壓縮流體發(fā)生體兩側的密度云圖和如圖3（b）所示的可壓縮流體發(fā)生體兩側的密度云圖。

圖3 密度云圖

由圖3可以看出，不可壓縮流體的密度在仿真過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生變化，可壓縮流體的密度發(fā)生了變化，必然會(huì )導致兩側速度U₁的變化�？蓧嚎s流體經(jīng)過(guò)發(fā)生體后密度變小會(huì )導致U₁變大。

根據圖3得到的結論，對渦街流量計進(jìn)行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的軟件仿真，設置三種介質(zhì)的入口流速均為50m/s，取渦街發(fā)生體迎流面側棱中點(diǎn)與管壁連線(xiàn)，如圖2中線(xiàn)段ab所示。取該線(xiàn)上的速度值，將蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的速度曲線(xiàn)進(jìn)行比較，結果如圖4所示。

圖4 不同介質(zhì)發(fā)生體兩側流速

從圖4中可以看出，在靠近渦街發(fā)生體的位置，可壓縮流體流速明顯大于不可壓縮流體流速，且空氣的流速要大于蒸汽介質(zhì)的流速。因此空氣介質(zhì)受氣體可壓縮性的影響較大。

渦街流量計的計量性能最終反映到儀表系數上，渦街流量計兩側的旋渦頻率決定了儀表系數的大小，圖5為仿真得到的渦街流量計渦流流場(chǎng)靜壓云圖。從圖中可以看出兩個(gè)明顯的脫落旋渦。圖中A區域靜壓大，B區域靜壓小。靜壓最小的位置是C處，也就是脫落旋渦的渦心位置。檢測渦街發(fā)生體下游1D處的靜壓變化得到如圖6所示的靜壓變化圖。

圖5 渦街流量計渦流流場(chǎng)靜壓云圖

對圖6中靜壓數值進(jìn)行快速傅立葉變換，得到如圖7所示的三種介質(zhì)下的旋渦脫落頻率圖。

圖6 渦街發(fā)生體下游1D處的靜壓變化圖

通過(guò)讀取圖7三種介質(zhì)旋渦脫落頻率圖最高點(diǎn)的頻率，可以得到空氣介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1595Hz，蒸汽介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1579Hz，水介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1559Hz。代入公式（1）可以發(fā)現，渦街流量計在相同管道直徑相同入口速度的情況下在水介質(zhì)中得到的儀表系數最小、蒸汽次之、空氣最大。說(shuō)明空氣受氣體介質(zhì)的可壓縮性影響大，在發(fā)生體兩側的密度變化率較蒸汽要大。

圖7 三種介質(zhì)下的旋渦脫落頻率圖

4 實(shí)驗驗證

為驗證仿真分析得到的結論，利用負壓法音速?lài)娮鞖怏w流量計量標準裝置、蒸汽實(shí)流計量標準裝置和水流量計量標準裝置對該結構類(lèi)型的渦街流量計進(jìn)行三種介質(zhì)的實(shí)驗研究，各測試條件參數如表1所示。

表1 實(shí)驗測試條件各流體介質(zhì)參數

在上述實(shí)驗條件下得到三種標準計量裝置的儀表系數，實(shí)驗結果如圖8所示。

圖8 DN100口徑渦街流量計在空氣、水、蒸汽介質(zhì)下的儀表系數

由圖8可看出，在實(shí)驗過(guò)程中，空氣與水的儀表系數與仿真分析基本相符，但蒸汽介質(zhì)的儀表系數要小，這主要是因為蒸汽介質(zhì)的高溫使發(fā)生體的幾何尺寸發(fā)生變化導致的儀表系數的改變。

根據經(jīng)驗公式（4）：

    （4）

式中：K_t為溫度為t時(shí)的儀表系數；K₂₀為20℃時(shí)的儀表系數；α為線(xiàn)膨脹系數。

由公式（4）可以知道隨著(zhù)溫度的升高，儀表系數會(huì )減小，因此就出現了圖8所示實(shí)驗數據與圖7仿真頻率計算出的儀表系數的微小差異。

5 結論

利用Fluent軟件實(shí)現了渦街流量計在不同介質(zhì)下的流場(chǎng)仿真，根據卡門(mén)渦街的產(chǎn)生機理，對比分析了空氣、蒸汽和水三種不同介質(zhì)條件下的流場(chǎng)，仿真結果表明隨著(zhù)可壓縮性的增強，渦街流量計的儀表系數隨之變大，因此在渦街流量計的首次或者后續檢定中盡量采用與工況相同的介質(zhì)進(jìn)行標定。