摘要:通(tong)過FLUENT對典(dian)型的渦(wo)街流量(liang)計 在低(di)溫流體(ti)中的卡(ka)門渦街(jie)流場特(te)性進行(hang)理論分(fen)析和數(shu)值仿真(zhen),并與常(chang)溫工況(kuang)下的渦(wo)街流場(chang)進行比(bi)較,分析(xi)低溫流(liu)體的旋(xuan)渦分離(li)過程,得(de)出流量(liang)與渦街(jie)分離頻(pin)率的對(dui)應關系(xi)。研究表(biao)明,數值(zhi)仿真方(fang)法成本(ben)低,适于(yu)模拟☀️複(fu)雜流場(chang),爲低溫(wen)渦街流(liu)量計在(zai)渦街發(fa)生體形(xing)狀和壓(ya)電振動(dong)傳感♉器(qi)采樣位(wei)置的設(she)計與優(you)化提供(gong)理論依(yi)據㊙️。.
1引言(yan)
　　渦街流(liu)量計具(ju)有儀表(biao)系數穩(wen)定、瞬時(shi)流量測(ce)量正确(que)、量🐅程範(fan)圍寬、壓(ya)力損失(shi)小、結構(gou)和檢測(ce)方式組(zu)合多樣(yang)、便于安(an)裝維護(hu)等諸多(duo)特點，在(zai)流量測(ce)量領域(yu)占有重(zhong)要地位(wei)。常溫下(xia)的渦街(jie)流量計(ji)技術已(yi)經相當(dang)成熟，至(zhi)今已發(fa)展爲多(duo)種旋渦(wo)發生體(ti)形式及(ji)不同檢(jian)測方法(fa)，系列化(hua)的産品(pin)應用于(yu)各種工(gong)業領域(yu)。但用于(yu)低溫(特(te)‼️别是超(chao)低溫,如(ru)液氫、液(ye)氧、液氮(dan))流體測(ce)量的渦(wo)街流量(liang)計才剛(gang)剛起步(bu)，國外已(yi)在近期(qi)開展👈了(le)研究,在(zai)國外航(hang)天領域(yu)的低溫(wen)流體㊙️流(liu)量測量(liang)中使用(yong)效果良(liang)好，并逐(zhu)步有産(chan)品推向(xiang)市場。目(mu)前,中⭐國(guo)國内少(shao)有低溫(wen)渦街流(liu)🔴量計的(de)産品和(he)文獻系(xi)統報導(dao)。
　　在超低(di)溫下，信(xin)号感測(ce)器靈敏(min)度下降(jiang),因此必(bi)須産生(sheng)更加強(qiang)烈穩定(ding)的旋渦(wo),才能提(ti)高信噪(zao)比,滿足(zu)精度要(yao)求。此⭕外(wai)，液氫、液(ye)氧和㊙️液(ye)氮等低(di)溫流體(ti)的物性(xing)極爲特(te)殊,其黏(nian)🍓度極低(di),極易産(chan)生空穴(xue)。衆所周(zhou)知,旋渦(wo)發生體(ti)形狀和(he)檢測位(wei)置對⭐渦(wo)街流量(liang)❤️計的測(ce)量💞質量(liang)影響很(hen)🆚大，,但是(shi)受檢🏃🏻測(ce)條件和(he)手段的(de)限制，難(nan)以對其(qi)影響進(jin)行有效(xiao)評價。利(li)用計算(suan)流體力(li)✂️學(CFD)數值(zhi)仿真的(de)方法模(mo)拟不同(tong)旋渦發(fa)生體渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)内部流(liu)場,進而(er)确定旋(xuan)渦發生(sheng)體形狀(zhuang)以及檢(jian)🌂測點位(wei)置,對渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)的優化(hua)具有重(zhong)要的指(zhi)導意義(yi)。本文根(gen)據低溫(wen)🔅流體(以(yi)液氮爲(wei)例)的物(wu)性參數(shu)和流體(ti)🏃🏻‍♂️力學理(li)論,對低(di)溫渦街(jie)的流場(chang)進行理(li)論計算(suan)和數值(zhi)仿真,分(fen)析低溫(wen)流體渦(wo)街的産(chan)生過程(cheng),對比低(di)溫渦街(jie)和常溫(wen)渦街流(liu)場分🙇‍♀️布(bu)的異同(tong),爲🥰低溫(wen)渦街流(liu)量計的(de)設計和(he)優化提(ti)供理論(lun)依據。
2低(di)溫渦街(jie)特性理(li)論分析(xi)
2.1渦街流(liu)量計的(de)工作原(yuan)理
　　在流(liu)體中設(she)置旋渦(wo)發生體(ti),就會從(cong)旋渦發(fa)生體兩(liang).側☁️交替(ti)地産🙇‍♀️生(sheng)有規則(ze)的旋渦(wo),這種在(zai)旋渦發(fa)生體下(xia)遊⭐非對(dui)稱排🤞列(lie)的旋渦(wo)列即卡(ka)門渦街(jie)。根據卡(ka)門渦街(jie)原理,旋(xuan)渦頻率(lü)ƒ有如下(xia)關系式(shi):
 
　　式中:ƒ爲(wei)旋渦頻(pin)率,Hz;Sr爲斯(si)特勞哈(ha)爾數,無(wu)量綱,與(yu)旋渦✨發(fa)生體形(xing)狀及雷(lei)諾數Re有(you)關,在Re=2×104-7x106範(fan)圍内可(ke)視爲常(chang)數🈚，例如(ru)三角❌柱(zhu)發生體(ti)的斯特(te)勞哈爾(er)數爲Sr=0.16;V爲(wei)測量管(guan)内被測(ce)介質的(de)平均流(liu)速，m/s;m爲發(fa)生體兩(liang)✊側弓形(xing)流通面(mian)積之和(he)與測量(liang)管的橫(heng)街面積(ji)之比,計(ji)算如下(xia):
 
　　式中:D爲(wei)渦街流(liu)量計管(guan)道口徑(jing),m;d爲旋渦(wo)發生體(ti)迎流面(mian)寬度🎯,m,對(dui)♋于三角(jiao)柱發生(sheng)體而言(yan),d=0.28D。
　　渦街流(liu)量計的(de)儀表系(xi)數K:
 
　　式中(zhong):K爲渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xi)數,m-3;qv爲管(guan)道内被(bei)測介質(zhi)的體積(ji)流量,m³/s。
　　可(ke)見儀表(biao)系數K與(yu)旋渦發(fa)生體、管(guan)道的幾(ji)何尺寸(cun)及斯特(te)勞💃🏻哈爾(er)🔴數Sr有關(guan)。但在Sr可(ke)視爲常(chang)數的雷(lei)諾數範(fan)圍内,K就(jiu)隻與旋(xuan)渦發生(sheng)體形狀(zhuang)和管道(dao)幾何尺(chi)寸有關(guan),因此渦(wo)街流量(liang)計輸出(chu)的脈沖(chong)頻率信(xin)号不受(shou)流體物(wu)性和組(zu)分變化(hua)的影響(xiang)，隻要正(zheng)确測🈲得(de)旋渦頻(pin)率ƒ,就可(ke)正确♻️得(de)知被測(ce)流體的(de)流速U和(he)體積流(liu)量qv,給.信(xin)号的測(ce)量提供(gong)了依據(ju)。
2.2低溫渦(wo)街流量(liang)與頻率(lü)特性
　　圓(yuan)管傳輸(shu)流體的(de)雷諾數(shu)Re爲:
 
　　式中(zhong):ν爲流體(ti)運動黏(nian)度,m/s。
　　渦街(jie)流量計(ji)測量液(ye)體的最(zui)低流速(su)一般≥0.3m/s,最(zui)大流速(su)應≤7m/s。以口(kou)徑100mm的渦(wo)街流量(liang)計爲例(li)，在測量(liang)液氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時(shi),其雷🍉諾(nuo)數Re的上(shang)😄下限爲(wei):1.53x105≤Re≤3.58x106，滿⭐足斯(si)特勞哈(ha)爾數Sr可(ke)視爲常(chang)數🔞的雷(lei)諾👅數範(fan)圍。因此(ci),渦街流(liu)量計的(de)特性在(zai)原理上(shang)也可以(yi)适用于(yu)液氮的(de)低溫工(gong)況流量(liang)測量。
　　依(yi)據式(3)可(ke)以計算(suan)出口徑(jing)100mm的渦街(jie)流量計(ji)的儀表(biao)系數K=1123m-3.
3低(di)溫渦街(jie)的流場(chang)仿真模(mo)型建立(li).
3.1FLUENT在渦街(jie)仿真中(zhong)的應用(yong)
　　計算機(ji)高性能(neng)運算的(de)不斷提(ti)高使計(ji)算流體(ti)力學🔞(CFD)技(ji)術更🌈加(jia)♍實用,越(yue)來越完(wan)善的流(liu)體計算(suan)模型開(kai)始被商(shang)業化的(de)CFD軟件所(suo)采用，如(ru)FLUENT集成了(le)衆多湍(tuan)流模型(xing)🔆、LES模型JDES模(mo)🙇‍♀️型、化學(xue)反應模(mo)😍型、多相(xiang)⛷️流模型(xing)等研究(jiu)成果。近(jin)年，在渦(wo)街流量(liang)計設計(ji)和優化(hua)中,越來(lai)越多的(de)采用了(le)FLUENT等CFD軟件(jian)進行數(shu)值仿真(zhen),大大節(jie)省了開(kai)發成本(ben)和周期(qi),并且對(dui)🚶‍♀️其内部(bu)流場有(you)了更加(jia)深刻和(he)🈲直觀的(de)理解。
　　通(tong)過兩維(wei)渦街流(liu)場的仿(pang)真,研究(jiu)了雷諾(nuo)數和剪(jian)切率對(dui)渦結構(gou)的影響(xiang)。通過FLUENT對(dui)渦街流(liu)量計流(liu)場進行(hang)♊了數值(zhi)仿🤩真,據(ju)此優化(hua)設計渦(wo)街流量(liang)計結構(gou)，選取取(qu)壓位置(zhi)。研究旋(xuan)渦發生(sheng)體前🥵後(hou)壓差與(yu)流速之(zhi)間的關(guan)系，提出(chu)了利用(yong)單一差(cha)壓傳感(gan)器測量(liang)質量流(liu)🐅量的新(xin)方法。通(tong)過FLUENT對梯(ti)形發生(sheng)體與T形(xing)發生體(ti)的渦💯街(jie)流場進(jin)行模🈚拟(ni)對比研(yan)究,并得(de)到了檢(jian)測點位(wei)置。以上(shang)研究者(zhe)的工作(zuo)表明,利(li)用FLUENT仿真(zhen)能夠較(jiao)真實的(de)反映渦(wo)街流量(liang)計的内(nei)部流場(chang)特性,在(zai)渦街流(liu)量計📧的(de)開發過(guo)程中扮(ban)演越來(lai)越重要(yao)的角色(se)。
3.2建模與(yu)網格劃(hua)分
　　渦街(jie)流量計(ji)的二維(wei)仿真結(jie)構模型(xing)如圖1所(suo)示,管道(dao)口徑爲(wei)D=100mm,三♈角柱(zhu)旋渦發(fa)生體迎(ying)流面寬(kuan)度d=28mm,頂角(jiao)θ=19°,符合該(gai)管道口(kou)❓徑下的(de)行業标(biao)準。渦街(jie)流量計(ji)的網格(ge)劃分采(cai)用四邊(bian)形結構(gou)化網格(ge),根據區(qu)域的不(bu)規則程(cheng)度和流(liu)場‼️的複(fu)雜程度(du)對不同(tong)子區域(yu)進行分(fen)别劃分(fen)。
 
3.3求解條(tiao)件設置(zhi)
　　爲了能(neng)夠計算(suan)得到流(liu)場的正(zheng)确解,必(bi)須給定(ding)合理的(de)邊界條(tiao)件和流(liu)體物性(xing),并選擇(ze)合适的(de)求解器(qi)和計算(suan)模型。渦(wo)街流場(chang)爲非定(ding)常流動(dong)，雷諾數(shu)較高,對(dui)渦街流(liu)😘場仿真(zhen)的求解(jie)條件如(ru)💁表1設置(zhi)。
 
4仿真結(jie)果分析(xi)
4.1低溫渦(wo)街的形(xing)成過程(cheng)
　　圖2表示(shi)了一個(ge)旋渦形(xing)成周期(qi)T内不同(tong)時刻的(de)渦街二(er)維流👄場(chang)圖,直觀(guan)反映了(le)渦街的(de)形成、脫(tuo)落過程(cheng)。可以看(kan)到邊📞界(jie)層💔在渦(wo)街發生(sheng)體的兩(liang)側平行(hang)棱邊開(kai)🚶始減速(su)增壓運(yun)動,并伴(ban)有倒流(liu)現象。倒(dao)流沿着(zhe)壁面向(xiang)後伸展(zhan)使邊界(jie)層明顯(xian)增厚,同(tong)時旋渦(wo)📱的尺寸(cun)不☁️斷增(zeng)大。當旋(xuan)渦增加(jia)到一定(ding)程度後(hou),就從發(fa)生體上(shang)脫落分(fen)離，随着(zhe)流體向(xiang)下遊運(yun)動,形成(cheng)振蕩尾(wei)流。在旋(xuan)渦的中(zhong)心形成(cheng)低壓區(qu),會随着(zhe)旋⛷️渦的(de)交替産(chan)生和脫(tuo)落過程(cheng),在流場(chang)中形成(cheng)周期性(xing)變化的(de)壓力場(chang),壓力場(chang)的變化(hua)頻率與(yu)🔞旋渦脫(tuo)落頻率(lü)--緻。壓電(dian)式渦🛀街(jie)流量計(ji)即是通(tong)過檢測(ce)流場内(nei)振蕩尾(wei)流中特(te)定點處(chu)的壓力(li)變化頻(pin)率來測(ce)🙇‍♀️定流速(su)。
 
4.2低溫渦(wo)街仿真(zhen)結果正(zheng)确率驗(yan)證
　　由于(yu)低溫渦(wo)街試驗(yan)條件受(shou)限,低溫(wen)渦街仿(pang)真結果(guo)和理論(lun)⭐計算值(zhi)與相同(tong)結構尺(chi)寸的常(chang)溫渦街(jie)流量計(ji)在水介(jie)質中的(de)校驗數(shu)據進行(hang)比對。如(ru)圖3所示(shi),試驗與(yu)仿真曲(qu)線的線(xian)性度都(dou)很好，而(er)且低溫(wen)介質與(yu)常溫介(jie)質的數(shu)據比較(jiao)一緻,驗(yan)證了斯(si)特勞哈(ha)爾數St與(yu)儀表系(xi)數K不随(sui)介質與(yu)溫度影(ying)響的特(te)性。分析(xi)結🙇‍♀️果可(ke)知:渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xi)數的試(shi)驗值與(yu)理論計(ji)算值之(zhi)間的相(xiang)對誤差(cha)在🔞3%之内(nei);仿真值(zhi)與試驗(yan)值之間(jian)的相對(dui)誤差在(zai)5%之内,說(shuo)明所采(cai)取的仿(pang)真方法(fa)比較正(zheng)确,驗證(zheng)了FLUENT數值(zhi)仿真技(ji)術用于(yu)低溫渦(wo)街流量(liang)計流場(chang)仿真的(de)可行性(xing)。
 
4.3低溫渦(wo)街與常(chang)溫渦街(jie)的流場(chang)分布對(dui)比
　　圖4比(bi)較了低(di)溫渦街(jie)與常溫(wen)渦街的(de)流場分(fen)布,由于(yu)液氮⭐的(de)粘度比(bi)水低很(hen)多,流體(ti)内部的(de)分子間(jian)引力🌈和(he)碰撞較(jiao)🔱弱，流體(ti)間的相(xiang)對運動(dong)阻力較(jiao)大，造成(cheng)低溫渦(wo)街的流(liu)場🛀中速(su)度梯度(du)較大,表(biao)現爲旋(xuan)渦尺寸(cun)比常溫(wen)工況下(xia)的旋渦(wo)小。因此(ci)，相比常(chang)溫下壓(ya)電傳感(gan)器的安(an)置位置(zhi)而言，檢(jian)測振蕩(dang)尾流中(zhong)旋渦列(lie)的❤️低溫(wen)渦街的(de)傳感器(qi)就要更(geng)靠近渦(wo)街發生(sheng)體,這在(zai)設計低(di)溫♋渦街(jie)流量計(ji)時必須(xu)特殊考(kao)慮。
　　能量(liang)的相對(dui)集中導(dao)緻了壓(ya)力梯度(du)(主要爲(wei)動壓)也(ye)比較大(da)。但必須(xu)注意到(dao)，在旋渦(wo)發生體(ti)前後的(de)壓差使(shi)液體介(jie)質釋放(fang)出🌍氣體(ti)而在渦(wo)街發生(sheng)體末端(duan)附近産(chan).生空穴(xue),這♋在低(di)溫工況(kuang)下尤爲(wei)嚴重。因(yin)此,必須(xu)在渦街(jie)流量計(ji)下遊設(she)置背壓(ya)🔱以避免(mian)空👈化現(xian)象的影(ying)響。同時(shi)也說明(ming)了采用(yong)安置在(zai)渦街發(fa)生體上(shang)測量交(jiao)變壓差(cha)🏃‍♂️或壓力(li)脈動的(de)測👣量方(fang)法,并不(bu)适用于(yu)低溫工(gong)況下的(de)渦街信(xin)号檢測(ce)。
5結論
(1)通(tong)過對低(di)溫渦街(jie)流場的(de)CFD仿真模(mo)拟,圖示(shi)了低溫(wen)渦街的(de)形成和(he)脫落過(guo)程,便于(yu)更好地(di)分析和(he)理解渦(wo)街特🚶‍♀️性(xing)。
(2)分析渦(wo)街流量(liang)計儀表(biao)系數的(de)理論計(ji)算數據(ju)、試驗數(shu)🈲據🌐與仿(pang)真數據(ju),驗證了(le)将FLUENT數值(zhi)仿真技(ji)術用于(yu)渦🔴街流(liu)☁️量計内(nei)部🐉流場(chang)分析的(de)有效性(xing),可以作(zuo)爲渦街(jie)流量計(ji)的優化(hua)設計的(de)理論指(zhi)導依據(ju)。
(3)對低溫(wen)渦街和(he)常溫渦(wo)街的流(liu)場分布(bu)進行對(dui)比,從低(di)黏度流(liu)體介質(zhi)物性的(de)角度解(jie)釋了低(di)溫渦街(jie)流場的(de)特殊性(xing),并對低(di)🎯溫渦街(jie)壓電傳(chuan)感器位(wei)置設置(zhi)提出了(le)有益建(jian)議。

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