不同截流程度下渦街流量計的流動(dòng)特性研究

1 引言

隨著(zhù)計算機技術(shù)、數值計算技術(shù)的發(fā)展，現代模擬仿真技術(shù)計算流體力學(xué)（computational　fluid　dynamics，CFD）也隨之而生。它是對純理論和純實(shí)驗方法很好的促進(jìn)和補充。CFD作為一門(mén)新興學(xué)科，它力求通過(guò)數值實(shí)驗替代實(shí)物實(shí)驗，采用虛擬流場(chǎng)來(lái)模擬真實(shí)流場(chǎng)內部的流體流動(dòng)情況，從而使得實(shí)驗研究更加方便，研究場(chǎng)景更加豐富可編程。

FLUENT軟件提供了多種基于非結構化網(wǎng)格的復雜物理模型，并針對不同物理問(wèn)題的流動(dòng)特點(diǎn)創(chuàng )建出不同的數值解法。用戶(hù)可根據實(shí)際需求自由選擇，以便在計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳，提高設計效率。

關(guān)于渦街流量計的發(fā)生體數值模擬研究，主要集中在渦街發(fā)生體形狀和尺寸上。Yamasaki指出發(fā)生體的形狀與幾何參數和渦街流量計的流量特性（儀表系數、線(xiàn)性度、重復性、測量范圍）與阻力特性存在相當大的關(guān)聯(lián)關(guān)系。S.C.Luo等人研究旋渦發(fā)生體尾緣形狀以及迎流角度對渦街性能的影響，在風(fēng)洞和水槽實(shí)驗中，得出在全長(cháng)相等的情況下，旋渦強度隨尾緣夾角的增大而減小。彭杰綱等人在50mm口徑管道氣流量實(shí)驗中，通過(guò)對不同尾緣夾角角度的旋渦發(fā)生體進(jìn)行實(shí)驗研究，得出旋渦發(fā)生體尾緣的夾角為41.8°時(shí)具有很好的線(xiàn)性度。賈云飛等人通過(guò)對二維渦街流場(chǎng)中的壓力場(chǎng)進(jìn)行數值仿真研究，得出T形發(fā)生體產(chǎn)生的旋渦信號的強度要優(yōu)于三角柱發(fā)生體。

渦街流量計利用流體振動(dòng)原理進(jìn)行流量測量。選取了應力式渦街流量計進(jìn)行研究。它通過(guò)壓電檢測元件獲取電壓頻率，再根據流體流量與渦街頻率成正比得出被測流量。在過(guò)去的渦街流量計研究中，一直將研究重點(diǎn)放在真實(shí)流場(chǎng)實(shí)驗中，但這需要重復更換口徑、調節流量，大大降低了工作效率。為解決此問(wèn)題，采用三維渦街流場(chǎng)數值分析的方法對內部流場(chǎng)的變化進(jìn)行研究。

通過(guò)FLUENT軟件對三維渦街流場(chǎng)進(jìn)行數值仿真，并將不同流速下的升、阻力系數進(jìn)行比較，驗證數值仿真可行性。并通過(guò)改變管截面與截流面之間的夾角，在低、中、高速流速下，進(jìn)行取壓，最終得出隨著(zhù)夾角的不同，信號強度不同。夾角在1°～7°范圍，對信號強度的衰減影響不大，超過(guò)7°以后對信號強度影響變大，并隨著(zhù)流速的增加，趨勢越來(lái)越強。

2 升、阻力系數

旋渦脫落時(shí)，流體施加給柱體一個(gè)垂直于主流的周期性交變作用力，稱(chēng)為升力。由于柱體兩側交替的釋放旋渦時(shí)，剛釋放完渦流的一側柱面，擾流改善，側面總壓力降低；將要釋放渦流的另一側柱面，擾流較差，側面總壓力較大，從而形成一個(gè)作用在三角柱上、方向總是指向剛釋放完渦流那一側的作用力，所以升力的交變頻率和旋渦的脫落頻率一致，升力的變化規律和旋渦的變化規律一致，因而通過(guò)監視柱面上的升力變化規律，可以反映旋渦脫落規律。

阻力系數反映的是柱體迎流方向上的作用力變化情況，每當柱體兩側不管哪一邊的釋放旋渦一次，迎流方向上的作用力都會(huì )隨壓力變化有規律地變化一次，因此，升力系數變化的一個(gè)周期內，阻力系數變化為兩個(gè)周期。

3 三維渦街流場(chǎng)模擬的可行性分析

3.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

圖1是在A(yíng)NSYS　Workbench中建立的三維渦街流量計幾何模型。其中管道口徑50mm，管道長(cháng)1000mm，旋渦發(fā)生體截流面寬度14mm，管截面與截流面夾角為α。

圖1 渦街流量計的幾何模型

對幾何模型進(jìn)行非結構網(wǎng)格劃分，作為數值模擬的載體，如圖2所示。

圖2 渦街流量計的網(wǎng)格劃分

3.2 仿真參數設置

在FLUENT中，三維渦街流場(chǎng)參數設置如下：

1）流體：空氣（air）；

2）湍流模型：Renormalization－group（RNG）k－ε模型；

3）邊界條件

①流速入口邊界：根據需要設置不同流速、湍流動(dòng)能和耗散率；

②壓力出口邊界：零壓；

4）求解器：基于壓力的三維雙精度瞬態(tài)求解器；

5）數值計算過(guò)程：SIMPLE算法。

3.3 升、阻力變化頻率的計算結果及分析

圖3所示速度等值。三維渦街流場(chǎng)在夾角為0°，入口流速為5m/s的情況下的速度等值線(xiàn)圖。

圖3 速度等值線(xiàn)

通過(guò)仿真模擬，圖4給出流速u(mài)＝5m/s時(shí)，作用在三角柱上的升力系數和阻力系數變化曲線(xiàn)。由圖5升力系數的FFT曲線(xiàn)可以看出其頻率為F_L＝87.92Hz。從圖6阻力系數的FFT曲線(xiàn)可以看出其頻率為F_D＝176.43Hz，約為升力系數變化頻率的2倍。

圖4 升、阻力系數曲線(xiàn)

圖5 升力系數FFT曲線(xiàn)

圖6 阻力系數FFT曲線(xiàn)

4 仿真結果

基于上述通過(guò)升、阻力變化頻率的關(guān)系驗證出利用FLUENT對三維渦街流場(chǎng)進(jìn)行仿真是可行的。本節應用FLUENT對截流夾角、流速和信號強度之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真研究。分別取7m/s、40m/s和70m/s的流速α的角度在0°～10°范圍內取值（發(fā)生體的安裝偏差一般不會(huì )超過(guò)10°），進(jìn)行數值仿真。記錄信號強度，如表2所示。

表2 不同夾角、不同流速下的信號強度

將表2的數據繪制成圖7，將圖7中流速為7m/s的數據放大如圖8所示。觀(guān)察圖7、8，可以直觀(guān)的反應出夾角、流速與信號強度的關(guān)系變化。通過(guò)對比這3張圖可以看出，信號強度隨著(zhù)夾角、流速的不同而不同。并從圖中得出結論：

1）渦街的信號強度與流速成正比，隨著(zhù)流速的增加，旋渦脫落頻率信號強度會(huì )顯著(zhù)增加。

2）在流速相同的情況下，隨著(zhù)夾角的增大，信號強度逐漸減小，并隨著(zhù)夾角的增大，信號強度的衰減程度也逐漸增大。夾角在1°～7°范圍，對信號強度的衰減影響不大，可忽略，超過(guò)7°以后對信號強度影響變大，不可忽略。

3）在夾角相同的情況下，隨著(zhù)流速的增大，信號強度衰減趨勢越來(lái)越明顯。

圖7 不同流速下不同夾角的信號強度

圖8 7m/s流速下不同夾角的信號強度

5 結論

流場(chǎng)仿真在渦街流量計的設計和完善中正變得越來(lái)越重要，它通過(guò)理論支持指導仿真的可實(shí)施性，并將仿真結論用于實(shí)驗中，提高效率。通過(guò)模擬三維渦街流場(chǎng)三角柱繞流現象，將升、阻力頻率進(jìn)行對比，驗證了可將FLUENT用于三維渦街流場(chǎng)的仿真中。并從不同流速和不同截流夾角兩方面分別考慮，對比分析了三維渦街信號的信號強度，得出夾角在1°～7°范圍，對信號強度的影響不大，超過(guò)了7°以后影響變大。從而為以后的實(shí)驗做出理論指導。進(jìn)一步的研究可以通過(guò)對不同形狀的旋渦發(fā)生體取不同截流夾角和不同流速進(jìn)行仿真對比研究。