蒸汽作(zuo)爲一種重(zhong)要的二次(ci)清潔能源(yuan)，在電廠、石(shi)油化🤟工、食(shi)品、機械加(jia)工等工業(ye)生産領域(yu)和人民的(de)日常生活(huo)中⭐占據了(le)越來越重(zhong)要的地位(wei)。爲了提高(gao)蒸汽的計(ji)量水平，标(biao)準孔闆、噴(pen)嘴以及渦(wo)街流量計(ji)等多種類(lei)型的蒸汽(qi)儀表，而在(zai)衆多類型(xing)蒸汽儀表(biao)中，渦街🐪流(liu)量計以其(qi)結構簡單(dan)、測量範圍(wei)寬、壓損小(xiao)🏃‍♀️、測量時無(wu)🌏可動🏃‍♂️件等(deng)優點在蒸(zheng)汽計量中(zhong)得到快速(su)的推廣和(he)使用。
1 渦街(jie)流量計
　　渦(wo)街流量計(ji) ( 又稱旋渦(wo)流量計) 是(shi)根據 “卡門(men)渦街”原理(li)研制成的(de)流體振蕩(dang)式流量測(ce)量儀表。所(suo)謂 “卡門渦(wo)街”現象就(jiu)是在測量(liang)管🥰道流動(dong)的流體中(zhong)插入一💛根(gen) ( 或多根) 迎(ying)流⁉️面爲非(fei)流線型的(de)旋渦發生(sheng)體，當雷諾(nuo)數達到一(yi)定值時，從(cong)旋渦發生(sheng)體下遊兩(liang)側交替🐆地(di)分離釋放(fang)出兩串規(gui)則🧡的交錯(cuo)排列的旋(xuan)渦，這種⭐旋(xuan)渦稱爲卡(ka)門㊙️渦街。在(zai)一定雷諾(nuo)數範圍内(nei)，旋渦的分(fen)離頻率與(yu)旋渦發生(sheng)體的幾何(he)尺寸、管道(dao)的幾何尺(chi)寸有關，旋(xuan)渦的頻🐅率(lü)正比于管(guan)道流👄體🏃‍♂️流(liu)量，并可由(you)各種型式(shi)的傳感器(qi)檢出，渦街(jie)流量計工(gong)作原理如(ru)圖 1 所示。

卡門渦(wo)街頻率計(ji)算公式爲(wei):

　　式中: f 爲旋(xuan)渦頻率; Sr爲(wei)斯特勞哈(ha)爾數; m 爲旋(xuan)渦發生體(ti)兩側弓形(xing)面積與管(guan)道橫截面(mian)面積之比(bi)，不可壓縮(suo)㊙️流體中，由(you)‼️于流體密(mi)✔️度 ρ 不變，由(you)連續性方(fang)程可得到(dao)📧 m = U/U1。

　　不同介質(zhi)對渦街流(liu)量計性能(neng)的影響最(zui)終體現在(zai)儀表系數(shu)的✌️差異上(shang)，所以本文(wen)使用 Fluent 軟件(jian)建立渦街(jie)流量計的(de)幾何模型(xing)，然後對不(bu)同介質下(xia)的流場進(jin)行仿真🐇分(fen)析，并仿真(zhen)得到不同(tong)介質下的(de)儀表系數(shu)，最終通過(guo)實驗驗證(zheng)得到空氣(qi)❄️和水作爲(wei)替代介質(zhi)導緻的與(yu)蒸汽實流(liu)标定🏃🏻‍♂️得到(dao)的儀表系(xi)的差異。
2 仿(pang)真模型與(yu)條件的設(she)定
2. 1 仿真模(mo)型
　　選擇 DN100 口(kou)徑的渦街(jie)流量計進(jin)行研究，利(li)用 Gambit 軟件建(jian)立渦街流(liu)量🏃🏻‍♂️計幾何(he)模型并劃(hua)分網格，渦(wo)街流量計(ji)發生體橫(heng)截❗面網格(ge)如圖 2 所示(shi)。

　　爲了(le)提高計算(suan)效率，渦街(jie)發生體處(chu)重點加密(mi)，其他區域(yu)适當的稀(xi)疏。從圖 2 可(ke)以看出，渦(wo)街發生體(ti)所處流場(chang)網格均勻(yun)加密。通過(guo)加密畫法(fa)，靠近渦街(jie)發生體的(de)橫截面網(wang)格較密⛱️，遠(yuan)離渦街發(fa)生體而靠(kao)近管壁的(de)網格較稀(xi)疏。
2. 2 仿真條(tiao)件設定
　　仿(pang)真選擇三(san)種流體材(cai)質，分别爲(wei)空氣和蒸(zheng)汽兩種可(ke)壓🤩縮流體(ti)以及不可(ke)壓縮的水(shui)，在 Fluent 中空氣(qi)和蒸汽材(cai)質通過設(she)定氣體的(de)密🔱度選項(xiang)來實現。對(dui)于不可♉壓(ya)縮流體選(xuan)擇的密度(du)爲常數; 空(kong)氣介質選(xuan)擇默認♍密(mi)度 1. 225 kg/m3，其密✔️度(du)設定爲🐕理(li)想氣體，在(zai)叠代計算(suan)的過程🔞中(zhong)，根據氣體(ti)狀态方程(cheng)壓強的變(bian)化修🍓正流(liu)體的密度(du); 蒸汽介質(zhi)的🍉密度根(gen)據IF － 97 公式，利(li)用 UDF 編程設(she)置。
仿真模(mo)型選擇 ＲNG k － ε 雙(shuang)方程湍流(liu)模型，該模(mo)型可以很(hen)好地處理(li)💚高應變率(lü)以及流線(xian)彎曲程度(du)較大的流(liu)體流動♈，非(fei)常适合具(ju)有🐉旋渦脫(tuo)落現象的(de)渦街流場(chang)仿💜真［8］。
3 流場(chang)仿真分析(xi)
　　根據公式(shi) ( 1) 可知，影響(xiang)渦街流量(liang)計旋渦頻(pin)率的是發(fa)生體兩側(ce)的流速 U1和(he)發生體的(de)結構，由于(yu)發生體結(jie)🏃‍♂️構尺寸是(shi)⭐固定😄的，因(yin)此頻🔅率隻(zhi)與 U1相關，需(xu)要觀測在(zai)相同入口(kou)流速 U 的條(tiao)件下 U1變化(hua)來得到🐕頻(pin)率的變化(hua)🌈，而速度的(de)變化必然(ran)會導緻流(liu)體密度的(de)變化，因此(ci)可觀測發(fa)生體兩側(ce)的密度雲(yun)圖，來判斷(duan)可壓縮性(xing)對渦街流(liu)量計流速(su) U1的影響，通(tong)過仿真得(de)到如🌈圖 3 ( a) 所(suo)示的不可(ke)壓縮流體(ti)發生⭐體兩(liang)側的密度(du)雲圖和如(ru)圖 3 ( b) 所示的(de)可壓縮流(liu)體發生體(ti)兩側的📧密(mi)度雲圖。

　　由(you)圖 3 可以看(kan)出，不可壓(ya)縮流體的(de)密度在仿(pang)真過程中(zhong)👈沒有發♌生(sheng)變化，可壓(ya)縮流體的(de)密度發生(sheng)了變化，必(bi)然會導緻(zhi)兩🔞側速度(du) U1的變化。可(ke)壓縮流體(ti)經過發生(sheng)體後密度(du)變小會導(dao)緻 U1變大。
　　根(gen)據圖 3 得到(dao)的結論，對(dui)渦街流量(liang)計進行蒸(zheng)汽、空氣和(he)水三種✍️介(jie)質下的軟(ruan)件仿真，設(she)置三種介(jie)質的入口(kou)流速均爲(wei) 50 m/s，取渦街發(fa)生體迎流(liu)面側棱中(zhong)點與管壁(bi)連線，如圖(tu) 2 中線段 ab所(suo)示。取該線(xian)上的速度(du)值，将蒸汽(qi)、空氣和水(shui)三種介🐪質(zhi)下的速度(du)曲線進行(hang)比較，結果(guo)如圖 4所示(shi)。

　　從圖 4 中可(ke)以看出，在(zai)靠近渦街(jie)發生體的(de)位置，可壓(ya)縮流體流(liu)速👅明顯大(da)于不可壓(ya)縮流體流(liu)速，且空氣(qi)的流🔴速要(yao)大于蒸汽(qi)介質的流(liu)速。因此空(kong)氣介質受(shou)氣體可💁壓(ya)縮性的影(ying)響較大。
　　渦(wo)街流量計(ji)的計量性(xing)能最終反(fan)映到儀表(biao)系數上，渦(wo)街流量計(ji)兩側的旋(xuan)渦頻率決(jue)定了儀表(biao)系數的☎️大(da)小，圖 5 爲仿(pang)真得到的(de)渦街流量(liang)計渦流流(liu)場靜壓🏃🏻‍♂️雲(yun)圖。從圖中(zhong)可以看出(chu)兩個明顯(xian)的脫落旋(xuan)渦。圖中 A 區(qu)域靜壓大(da)，B 區域靜壓(ya)小。靜壓最(zui)小的位❓置(zhi)是 C 處，也⛱️就(jiu)是脫落旋(xuan)渦的渦心(xin)位置。檢測(ce)渦街🧡發生(sheng)體下遊✂️ 1D 處(chu)的靜壓變(bian)化得到如(ru)圖 6 所示的(de)靜壓變化(hua)圖。

　　對圖(tu) 6 中靜壓數(shu)值進行快(kuai)速傅立葉(ye)變換，得到(dao)如圖 7 所🈲示(shi)的三☎️種介(jie)質下的旋(xuan)渦脫落頻(pin)率圖。
通過(guo)讀取圖 7 三(san)種介質旋(xuan)渦脫落頻(pin)率圖最高(gao)

點的(de)頻率，可以(yi)得到空氣(qi)介質的旋(xuan)渦脫落頻(pin)率爲1 595 Hz，蒸汽(qi)🤩介🚩質🥵的旋(xuan)渦脫落頻(pin)率爲 1 579 Hz，水介(jie)質的旋渦(wo)脫落頻率(lü)爲1 559 Hz。代👌入公(gong)式 ( 1)可以發(fa)現，渦街流(liu)量計在相(xiang)同管道直(zhi)徑相同入(ru)口速度的(de)情況下在(zai)水介質中(zhong)得到的儀(yi)表系數最(zui)小、蒸汽次(ci)之、空氣最(zui)大。說明空(kong)氣受氣體(ti)介質的可(ke)壓縮性影(ying)響大，在發(fa)生體兩側(ce)的密度變(bian)化率較蒸(zheng)汽要大。
4 實(shi)驗驗證
　　爲(wei)驗證仿真(zhen)分析得到(dao)的結論，利(li)用負壓法(fa)音速噴❓嘴(zui)氣體流🆚量(liang)計量标準(zhun)裝置、蒸汽(qi)實流計量(liang)标準裝置(zhi)和水流量(liang)計量标準(zhun)裝📱置對該(gai)結構類型(xing)的渦街流(liu)量計進行(hang)三🔞種介質(zhi)的實驗研(yan)究，各測試(shi)條件參數(shu)如表 1 所示(shi)。

在上述實(shi)驗條件下(xia)得到三種(zhong)标準計量(liang)裝置的儀(yi)表系數，實(shi)驗結果如(ru)圖 8 所示。

　　由圖(tu) 8 可看出，在(zai)實驗過程(cheng)中，空氣與(yu)水的儀表(biao)系數與仿(pang)真🏒分析基(ji)本相符，但(dan)蒸汽介質(zhi)的儀表系(xi)數要小，這(zhe)主要是因(yin)爲蒸汽介(jie)質的高溫(wen)使發生體(ti)的幾何尺(chi)寸發生變(bian)化導緻的(de)儀表系數(shu)的改變。
根(gen)據經驗公(gong)式 ( 4) :

　　由公式(shi) ( 4) 可以知道(dao)随着溫度(du)的升高，儀(yi)表系數會(hui)減小，因此(ci)就出現了(le)圖 8 所示實(shi)驗數據與(yu)圖 7 仿真頻(pin)率計算出(chu)的儀表系(xi)數☎️的微小(xiao)差異。
5 結論(lun)
　　利用 Fluent 軟件(jian)實現了渦(wo)街流量計(ji)在不同介(jie)質下的流(liu)場仿真，根(gen)據😘卡門渦(wo)街的産生(sheng)機理，對比(bi)分析了空(kong)氣、蒸汽和(he)水三👄種不(bu)同介質條(tiao)件下的流(liu)場，仿真結(jie)果表明随(sui)着可壓縮(suo)性的增強(qiang)🈲，渦街流量(liang)計的儀表(biao)系數随之(zhi)變大，因此(ci)在渦街流(liu)量計的首(shou)🧡次或者後(hou)續檢定中(zhong)盡量采用(yong)與工況相(xiang)同的介❤️質(zhi)進行标定(ding)。

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