摘(zhai)要：對于(yu)渦街流(liu)量計 的(de)旋渦發(fa)生體的(de)仿真研(yan)究主要(yao)集中在(zai)形狀和(he)尺寸上(shang)，但在現(xian)場複雜(za)工況環(huan)境的情(qing)況下，發(fa)生體的(de)🍓位置🎯并(bing)不是固(gu)定不變(bian)的，會存(cun)在安裝(zhuang)偏差。爲(wei)了很⁉️好(hao)的分析(xi)發生體(ti)安裝偏(pian)差帶🔴來(lai)的信号(hao)強度發(fa)生變化(hua)的問題(ti)，确定不(bu)影響信(xin)号強度(du)的最大(da)偏差角(jiao)✂️度，采用(yong)三角柱(zhu)型發生(sheng)體，在Ansys+Workbench＋FLUENT數(shu)值仿真(zhen)軟件平(ping)台環境(jing)下，根據(ju)渦🏃🏻‍♂️街流(liu)量計的(de)實際物(wu)理結構(gou)尺寸建(jian)立仿真(zhen)模型，并(bing)對其進(jin)行網格(ge)劃分、求(qiu)解，将仿(pang)真得到(dao)的升、阻(zu)力頻率(lü)相比🔆較(jiao)，得出阻(zu)力頻率(lü)⛷️正好是(shi)升力頻(pin)率的2倍(bei)，表明可(ke)以利用(yong)FLUENT軟件對(dui)渦街流(liu)量計進(jin)行三維(wei)流場數(shu)值仿真(zhen)。最後🌈利(li)用FLUENT軟件(jian)，通過改(gai)變管截(jie)面與截(jie)流面的(de)夾角，在(zai)低、中、高(gao)速流速(su)下，對其(qi)進行☀️取(qu)壓⛷️，将得(de)到的信(xin)号強度(du)和頻譜(pu)分布進(jin)行比較(jiao)分🌈析，得(de)出夾角(jiao)與信号(hao)強度的(de)關系：夾(jia)角在1°～7°範(fan)圍，對信(xin)号強度(du)的影響(xiang)不大，超(chao)過7°以後(hou)影響變(bian)大。
1引言(yan)
　　随着計(ji)算機技(ji)術、數值(zhi)計算技(ji)術的發(fa)展，現代(dai)模拟☎️仿(pang)真💘技術(shu)計✍️算流(liu)體力學(xue)（cmputational fluid dynamics,CFD）也随之(zhi)而生［1］。它(ta)是對純(chun)理論和(he)純實驗(yan)方🔆法很(hen)好的促(cu)進和補(bu)充。ＣＦＤ作爲(wei)一門新(xin)興學科(ke)，它力求(qiu)通過數(shu)值實驗(yan)替代實(shi)物實驗(yan)，采用虛(xu)拟流場(chang)來模拟(ni)真實流(liu)場内部(bu)的流體(ti)流動情(qing)況❗，從而(er)使得實(shi)🚶驗研究(jiu)更加🔴方(fang)便，研究(jiu)場景更(geng)加豐富(fu)👅可編程(cheng)［2－5］。
　　FLUENT軟件提(ti)供了多(duo)種基于(yu)非結構(gou)化網格(ge)的複雜(za)物理模(mo)型，并針(zhen)對不同(tong)物理問(wen)題的流(liu)動特點(dian)創建出(chu)不同的(de)♍數值解(jie)法［6］。用戶(hu)☂️可根據(ju)實際需(xu)求自由(you)選擇，以(yi)便在計(ji)算速度(du)、穩定性(xing)💯和精度(du)等方面(mian)達到好(hao)的，提高(gao)設計效(xiao)率。
　　關于(yu)渦街流(liu)量計的(de)發生體(ti)數值模(mo)拟研究(jiu)，主要集(ji)中在渦(wo)街發生(sheng)體形狀(zhuang)和尺寸(cun)上［7－10］。Ｙａｍａｓａｋｉ指出(chu)發生體(ti)的形狀(zhuang)與幾何(he)參數和(he)渦街流(liu)量計的(de)流量特(te)性（儀表(biao)系數、線(xian)性度、重(zhong)複性、測(ce)量範圍(wei)）與阻力(li)特性存(cun)在相當(dang)大的關(guan)聯關系(xi)。Ｓ．Ｃ．Ｌｕｏ等人✌️研(yan)究旋渦(wo)發生體(ti)尾緣形(xing)狀以🥵及(ji)迎流角(jiao)度對渦(wo)街性能(neng)的影響(xiang)，在風🥵洞(dong)和水槽(cao)實驗中(zhong)，得出在(zai)全長相(xiang)等的情(qing)況🆚下，旋(xuan)渦強度(du)随尾緣(yuan)夾角的(de)增🤞大而(er)減小。彭(peng)傑綱等(deng)人在50mm口(kou)徑管道(dao)氣流量(liang)實驗中(zhong)，通過對(dui)不同尾(wei)緣夾角(jiao)角度的(de)旋渦發(fa)生體進(jin)行實驗(yan)研究，得(de)出旋渦(wo)發生體(ti)尾緣的(de)夾角爲(wei)41．8°時具有(you)很好的(de)線性度(du)。賈☂️雲飛(fei)等人通(tong)過對二(er)維渦街(jie)流場中(zhong)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼壓力(li)場進行(hang)數值仿(pang)真研究(jiu)，得出Ｔ形(xing)發🐅生體(ti)産生的(de)旋渦信(xin)号的🏒強(qiang)度要優(you)于三角(jiao)柱發生(sheng)體。
　　渦街(jie)流量計(ji)利用流(liu)體振動(dong)原理進(jin)行流量(liang)測量［11］。選(xuan)取了應(ying)力🌈式🏃🏻渦(wo)街流量(liang)計進行(hang)研究。它(ta)通過壓(ya)電檢🌈測(ce)元😄件獲(huo)取電壓(ya)頻率，再(zai)根據流(liu)體流量(liang)與渦街(jie)頻率成(cheng)正📞比得(de)出♻️被測(ce)流量。在(zai)過去的(de)渦街流(liu)量計研(yan)究中，一(yi)直🆚将研(yan)究重點(dian)放在真(zhen)🤟實流場(chang)實驗中(zhong)，但這🌈需(xu)要重複(fu)更🙇‍♀️換口(kou)徑、調節(jie)流量，大(da)大降低(di)了工作(zuo)效率。爲(wei)解決此(ci)問題，采(cai)用三維(wei)渦街流(liu)場數值(zhi)分析的(de)方法對(dui)内部流(liu)場的變(bian)化進行(hang)研究。
　　通(tong)過FLUENT軟件(jian)對三維(wei)渦街流(liu)場進行(hang)數值仿(pang)真，并将(jiang)不同流(liu)速下的(de)升、阻力(li)系數進(jin)行比較(jiao)，驗證數(shu)值仿真(zhen)可行性(xing)。并通過(guo)改變管(guan)截面與(yu)截流面(mian)之間的(de)夾角，在(zai)低、中、高(gao)速流速(su)下，進🌈行(hang)取壓，最(zui)終得出(chu)随着夾(jia)角的不(bu)同，信号(hao)強度不(bu)同。夾角(jiao)在1°～7°範圍(wei)，對信号(hao)強度的(de)衰減影(ying)響不大(da)，超過7°以(yi)後對信(xin)号強度(du)影響變(bian)大，并☔随(sui)着流速(su)的增加(jia)，趨勢越(yue)來越強(qiang)。
2升、阻力(li)系數
　　旋(xuan)渦脫落(luo)時，流體(ti)施加給(gei)柱體一(yi)個垂直(zhi)于主流(liu)的周期(qi)❓性✊交變(bian)🆚作用力(li)，稱爲升(sheng)力［12］。由于(yu)柱體兩(liang)側交替(ti)的釋放(fang)旋渦時(shi)，剛釋放(fang)完渦流(liu)的一側(ce)柱面，擾(rao)流改善(shan)，側面💔總(zong)壓力降(jiang)低；将要(yao)釋放渦(wo)流的另(ling)一側柱(zhu)面，擾流(liu)較差，側(ce)面總壓(ya)力較大(da)，從而形(xing)成一個(ge)作用在(zai)🏒三角柱(zhu)上、方向(xiang)總是指(zhi)向剛釋(shi)放完渦(wo)流那一(yi)側的作(zuo)用力，所(suo)以升☎️力(li)的交變(bian)頻率和(he)旋渦的(de)脫落頻(pin)率🈚一緻(zhi)，升力的(de)變化規(gui)律和♌旋(xuan)渦的變(bian)化規律(lü)一緻，因(yin)而通過(guo)監視柱(zhu)面上的(de)升力變(bian)化規律(lü)，可㊙️以反(fan)映旋渦(wo)脫落規(gui)律。阻力(li)系數反(fan)映的是(shi)柱體迎(ying)流方向(xiang)上的作(zuo)用力變(bian)化情況(kuang)，每當柱(zhu)體兩側(ce)不管哪(na)一邊的(de)釋放旋(xuan)渦一次(ci)，迎流方(fang)向🈲上的(de)作用力(li)都會随(sui)壓力變(bian)化有規(gui)律地變(bian)化一次(ci)💚，因此，升(sheng)力系數(shu)變化的(de)一個周(zhou)期内🥵，阻(zu)力系數(shu)變化爲(wei)兩個周(zhou)期。
3三維(wei)渦街流(liu)場模拟(ni)的可行(hang)性分析(xi)
3．1幾何建(jian)模與網(wang)格劃分(fen)
　　圖1是在(zai)ANSYS Workbench中建立(li)的三維(wei)渦街流(liu)量計幾(ji)何模型(xing)。其中管(guan)道口徑(jing)🔅50mm，管道長(zhang)1000mm，旋渦發(fa)生體截(jie)流面寬(kuan)度14mm，管截(jie)面與截(jie)⭕流面夾(jia)角爲α。

對(dui)幾何模(mo)型進行(hang)非結構(gou)網格劃(hua)分，作爲(wei)數值模(mo)拟的載(zai)體，如✍️圖(tu)2所示。

3．2仿(pang)真參數(shu)設置
在(zai)FLUENT中，三維(wei)渦街流(liu)場參數(shu)設置如(ru)下：
1）流體(ti)：空氣（ａｉｒ）；
2）湍(tuan)流模型(xing)：Renormalization-group(RNG)ｋ－ε模型；
3）邊(bian)界條件(jian)
①流速入(ru)口邊界(jie)：根據需(xu)要設置(zhi)不同流(liu)速、湍流(liu)動能和(he)耗散率(lü)；
②壓力出(chu)口邊界(jie)：零壓；
4）求(qiu)解器：基(ji)于壓力(li)的三維(wei)雙精度(du)瞬态求(qiu)解器；
5）數(shu)值計算(suan)過程：SIMPLE算(suan)法。
3．3升、阻(zu)力變化(hua)頻率的(de)計算結(jie)果及分(fen)析
圖3所(suo)示速度(du)等值。三(san)維渦街(jie)流場在(zai)夾角爲(wei)0°，入口流(liu)💁速🏃爲㊙️5m/s的(de)情況下(xia)的速度(du)等值線(xian)圖。

　　通過(guo)仿真模(mo)拟，圖4給(gei)出流速(su)ｕ＝5m/s時，作用(yong)在三角(jiao)柱上的(de)升力系(xi)數和阻(zu)力系數(shu)變化曲(qu)線。由圖(tu)5升力系(xi)數的ＦＦＴ曲(qu)線可以(yi)✏️看出其(qi)頻🔞率爲(wei)ＦＬ＝87．92Ｈｚ。從圖6阻(zu)力系數(shu)的ＦＦＴ曲線(xian)可以看(kan)出其頻(pin)率爲ＦＤ＝176．43Ｈｚ，約(yue)爲升力(li)系數變(bian)化頻率(lü)的2倍。



　　爲(wei)了驗證(zheng)将FLUENT用于(yu)渦街流(liu)量計的(de)三維流(liu)場仿真(zhen)的可行(hang)性✂️，對不(bu)同流速(su)下的升(sheng)、阻力頻(pin)率進行(hang)比較，如(ru)表1所示(shi)。可以看(kan)💔出阻🚩力(li)系☁️數變(bian)化頻率(lü)是升力(li)系數變(bian)化頻率(lü)的2倍，說(shuo)明用👅FLUENT進(jin)行渦街(jie)流量計(ji)的三維(wei)仿真是(shi)可行的(de)。

4仿真結(jie)果
　　基于(yu)上述通(tong)過升、阻(zu)力變化(hua)頻率的(de)關系驗(yan)證出利(li)🐆用FLUENT對三(san)維渦街(jie)流場進(jin)行仿真(zhen)是可行(hang)的。應用(yong)FLUENT對截流(liu)夾角、流(liu)速和信(xin)号強度(du)🧡之間的(de)關系進(jin)行了仿(pang)真💞研究(jiu)。分💁别取(qu)7m/s、40m/s和70m/s的流(liu)速，α的角(jiao)度在0°～10°範(fan)圍内取(qu)值（發生(sheng)體的安(an)裝偏差(cha)一般不(bu)會超過(guo)10°），進行數(shu)值仿真(zhen)。記錄信(xin)号強度(du)，如表2所(suo)示。

　　将表(biao)2的數據(ju)繪制成(cheng)圖7，将圖(tu)7中流速(su)爲7m/s的數(shu)據放大(da)如圖8所(suo)⛹🏻‍♀️示。觀察(cha)圖7、8，可以(yi)直觀的(de)反應出(chu)夾角、流(liu)速與信(xin)号強度(du)的關系(xi)變化。通(tong)過對比(bi)這3張圖(tu)可以看(kan)出，信号(hao)強度随(sui)着夾角(jiao)、流🔞速的(de)不同而(er)不同。并(bing)從圖中(zhong)🔞得出結(jie)論：
1）渦街(jie)的信号(hao)強度與(yu)流速成(cheng)正比，随(sui)着流速(su)的增加(jia)，旋🏃‍♂️渦脫(tuo)落頻率(lü)信号強(qiang)度會顯(xian)著增加(jia)。
2）在流速(su)相同的(de)情況下(xia)，随着夾(jia)角的增(zeng)大，信号(hao)強度逐(zhu)🈲漸減小(xiao)，并👣随着(zhe)夾角的(de)增大，信(xin)号強度(du)的衰減(jian)程度也(ye)逐漸增(zeng)大。夾角(jiao)🔞在1°～7°範圍(wei)，對信号(hao)強度的(de)衰減影(ying)響不大(da)，可忽略(lue)💃🏻，超過7°以(yi)後對信(xin)号強度(du)影響變(bian)大，不可(ke)忽略3）在(zai)🙇‍♀️夾角相(xiang)同🌈的情(qing)況下，随(sui)着流速(su)的增大(da)，信🌂号強(qiang)度衰減(jian)趨勢越(yue)來越明(ming)顯。


5結論(lun)
　　流場仿(pang)真在渦(wo)街流量(liang)計的設(she)計和完(wan)善中正(zheng)變得🧑🏽‍🤝‍🧑🏻越(yue)來🔴越重(zhong)要，它通(tong)過理論(lun)支持指(zhi)導仿真(zhen)的可實(shi)施性，并(bing)将仿真(zhen)結論用(yong)于實🔞驗(yan)中，提高(gao)效率。通(tong)過模拟(ni)三維渦(wo)街流場(chang)三角柱(zhu)📱繞流現(xian)象，将升(sheng)☁️、阻力頻(pin)率進行(hang)對比，驗(yan)🔴證了可(ke)将FLUENT用于(yu)三維♻️渦(wo)街流場(chang)的仿真(zhen)中。并從(cong)不同流(liu)速和不(bu)同截流(liu)夾角兩(liang)方面分(fen)别考慮(lü)，對比分(fen)析了三(san)維渦街(jie)信号的(de)🈲信号強(qiang)度，得出(chu)夾角在(zai)1°～7°範圍，對(dui)信号強(qiang)度的影(ying)響不大(da)，超過了(le)7°以後影(ying)響變🔞大(da)。從而爲(wei)以後的(de)實驗做(zuo)出理論(lun)指導。進(jin)一步的(de)研究可(ke)以通過(guo)對不同(tong)形狀的(de)旋渦發(fa)生體取(qu)🏃‍♀️不同截(jie)流夾角(jiao)和不同(tong)流速進(jin)🚶行仿真(zhen)對比研(yan)🌈究。

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