摘要：對于(yu)渦街流量計(ji) 的旋渦發生(sheng)體的仿真研(yan)究主要集中(zhong)在形狀和尺(chǐ)寸上，但在現(xiàn)場複雜工況(kuàng)環境的情況(kuàng)下，發生體的(de)🧡位置并不是(shi)固🐕定不變的(de)，會存在安裝(zhuang)偏差。爲了很(hen)好的分析發(fa)生體安裝偏(piān)差帶來的信(xin)号強度發生(shēng)變化的問題(tí)，确定不影響(xiang)信号強度的(de)最✍️大偏差角(jiao)度，采用三角(jiao)柱型發生體(ti)，在Ansys+Workbench＋FLUENT數值仿真(zhen)軟件平台環(huán)㊙️境下，根據渦(wo)街流量計的(de)實際物理結(jié)構尺寸建立(li)仿真模型，并(bing)對其進行網(wǎng)格劃分、求解(jie)，将仿真得到(dào)的升、阻力頻(pín)率相比較，得(dé)出阻力頻率(lǜ)正好是升力(lì)頻率的2倍，表(biǎo)明可以利用(yòng)FLUENT軟件對渦街(jiē)流量計♊進行(háng)三維流場數(shu)值仿真。最後(hòu)利用FLUENT軟件，通(tong)過改變管截(jie)♌面與截流面(miàn)✂️的夾角，在低(di)、中、高速流速(sù)下，對其進行(hang)取壓，将得到(dao)的信号強度(du)和頻譜分布(bu)進行比較分(fèn)析，得出夾角(jiao)與信号強度(dù)的關系：夾角(jiao)在1°～7°範圍，對信(xin)⭐号強度的影(ying)響不大，超過(guò)7°以後影響變(biàn)大。
1引言
　　随着(zhe)計算機技術(shu)、數值計算技(ji)術的發展，現(xian)代模拟仿真(zhēn)技術計⛹🏻‍♀️算流(liu)體力學（cmputational fluid dynamics,CFD）也随(suí)之而生［1］。它是(shì)對純理🌍論和(hé)純實驗方法(fa)很好的促進(jìn)和補充。ＣＦＤ作爲(wèi)一門新興學(xue)科♈，它力求通(tōng)過數值實驗(yàn)替代實🚶‍♀️物實(shi)驗，采用虛拟(ni)流場來模拟(ni)真實流場内(nèi)部的流體流(liu)動情況🌈，從而(ér)使得實📱驗研(yan)究更加方便(bian)，研究場景更(gèng)加豐富🚶可編(biān)程［2－5］。
　　FLUENT軟件提供(gòng)了多種基于(yú)非結構化網(wǎng)格的複雜物(wu)理模型，并針(zhēn)對不同物理(li)問題的流動(dong)特點創建出(chū)不同的數值(zhí)解法✨［6］。用戶可(kě)根據實際需(xu)求自由選擇(ze)，以便在計算(suan)速度、穩定性(xing)和精度等方(fāng)面達到好的(de)，提高設計效(xiao)率。
　　關于渦街(jiē)流量計的發(fa)生體數值模(mo)拟研究，主要(yao)集中🔅在渦街(jiē)發生體形狀(zhuàng)和尺寸上［7－10］。Ｙａｍａｓａｋｉ指(zhǐ)出發生體的(de)形狀與幾何(hé)參數和渦街(jie)流量計的流(liu)量特性（儀表(biǎo)系數、線性⭕度(dù)、重複性、測量(liàng)範圍）與阻力(li)特性存在相(xiang)當🏃‍♀️大的關聯(lian)關系。Ｓ．Ｃ．Ｌｕｏ等人研(yán)究旋渦發生(shēng)體尾緣形狀(zhuang)以及迎流角(jiǎo)度🐇對渦街性(xing)能的影響，在(zai)風⭐洞和水槽(cao)實🌈驗中，得出(chū)在全長相等(děng)的情況下，旋(xuán)渦強度随尾(wěi)緣夾角的增(zeng)大而減📞小。彭(peng)傑✂️綱等人在(zài)50mm口徑管道氣(qì)流量實驗中(zhōng)，通過對不⚽同(tong)尾緣夾角角(jiao)度的旋渦發(fa)生體進行實(shí)驗研究，得出(chū)旋渦發生體(ti)尾緣的夾角(jiǎo)爲♉41．8°時具有很(hen)好的線性度(du)。賈雲飛等人(ren)通過對二維(wei)渦街流場中(zhōng)的壓力場進(jìn)行數值仿真(zhēn)研究，得出Ｔ形(xíng)發生體🧑🏽‍🤝‍🧑🏻産生(shēng)的旋渦信号(hào)的強度🈲要優(you)于三角柱發(fa)生體。
　　渦街流(liu)量計利用流(liú)體振動原理(li)進行流量測(cè)量［11］。選取了應(yīng)🔴力式渦街流(liu)量計進行研(yán)究。它通過壓(yā)電檢測元件(jiàn)獲取電壓頻(pín)率，再根據流(liú)體流量與渦(wo)街頻率成正(zhèng)比得出被測(ce)流量。在過去(qù)的渦街流量(liàng)計研究中，一(yi)直将研究重(zhong)點放在真實(shi)流場實驗中(zhong)，但這需要重(zhong)複更換口徑(jìng)、調節流量，大(da)大降低了工(gōng)作效率。爲解(jiě)決此問題，采(cai)用三維渦街(jie)流場數值分(fèn)析的方法對(duì)内部流場的(de)變化進行研(yan)究。
　　通過FLUENT軟件(jiàn)對三維渦街(jiē)流場進行數(shu)值仿真，并将(jiāng)不同流速下(xià)的升、阻力系(xi)數進行比較(jiào)，驗證數值仿(pang)真可行性。并(bìng)通過改變管(guan)截面與截流(liu)面之間的夾(jia)角，在低、中、高(gāo)速流🔞速下，進(jin)行取壓，最終(zhōng)得出随着夾(jia)角的不同，信(xin)号強度不🐕同(tong)。夾角在1°～7°範圍(wéi)，對信号強度(dù)的🌏衰減影響(xiǎng)不大，超過7°以(yǐ)後對信号強(qiáng)度影響變大(dà)，并随着流速(sù)的增加，趨勢(shì)越來越強。
2升(sheng)、阻力系數
　　旋(xuan)渦脫落時，流(liu)體施加給柱(zhu)體一個垂直(zhi)于主流的周(zhou)期性🍉交變作(zuò)用力，稱爲升(shēng)力［12］。由于柱體(ti)兩側交替的(de)釋放旋渦時(shí)，剛釋放完渦(wō)流的一側柱(zhu)面，擾流改善(shàn)，側面總壓力(li)降低；将要釋(shi)放渦流的另(ling)一側柱面😄，擾(rǎo)流較差，側面(mian)總壓🥵力較大(dà)，從而形成一(yī)🏃‍♂️個作用在㊙️三(sān)角柱上、方向(xiang)總是指向剛(gāng)釋放完渦❄️流(liu)那一側的🛀🏻作(zuo)用力，所以升(shēng)力的交變頻(pin)率和旋渦的(de)脫落頻率一(yī)緻，升力👉的變(biàn)化規律和旋(xuan)渦的變化規(guī)律一緻，因🌈而(ér)🚶通過監視柱(zhù)面上的升力(lì)變化規律，可(kě)以反映旋渦(wō)脫落規律。阻(zǔ)力系數反映(yìng)的是柱體迎(ying)流方向上的(de)作用力變化(hua)情況，每當柱(zhù)體兩側不管(guǎn)哪一邊的釋(shi)放旋渦一次(cì)，迎流方向上(shang)的作用力都(dōu)會随壓力💞變(bian)化㊙️有規律地(dì)變化一次，因(yīn)此，升力系數(shu)變化的一個(gè)周期内，阻力(lì)系數變化爲(wei)兩個周期🔴。
3三(san)維渦街流場(chang)模拟的可行(hang)性分析
3．1幾何(hé)建模與網格(ge)劃分
　　圖1是在(zài)ANSYS Workbench中建立的三(san)維渦街流量(liàng)計幾何模型(xing)。其中👄管道👄口(kou)徑50mm，管道長1000mm，旋(xuán)渦發生體截(jié)流面寬度14mm，管(guǎn)截面與截流(liu)面夾角爲α。

對幾何模(mó)型進行非結(jie)構網格劃分(fèn)，作爲數值模(mó)拟的載體，如(ru)圖🔆2所示。

3．2仿真參數設(shè)置
在FLUENT中，三維(wei)渦街流場參(cān)數設置如下(xià)：
1）流體：空氣（ａｉｒ）；
2）湍(tuān)流模型：Renormalization-group(RNG)ｋ－ε模型(xing)；
3）邊界條件
①流(liu)速入口邊界(jiè)：根據需要設(shè)置不同流速(su)、湍流動能和(hé)耗散💞率🏃‍♀️；
②壓力(lì)出口邊界：零(ling)壓；
4）求解器：基(ji)于壓力的三(sān)維雙精度瞬(shùn)态求解器；
5）數(shù)值計算過程(cheng)：SIMPLE算法。
3．3升、阻力(li)變化頻率的(de)計算結果及(jí)分析
圖3所示(shì)速度等值。三(sān)維渦街流場(chang)在夾角爲0°，入(rù)口流⛱️速爲5m/s的(de)情況♋下的速(sù)度等值線圖(tu)。

　　通過仿真模(mó)拟，圖4給出流(liu)速ｕ＝5m/s時，作用在(zai)三角柱上的(de)升🤩力系數和(hé)阻力系數變(bian)化曲線。由圖(tú)5升力系數的(de)ＦＦＴ曲線可以✊看(kàn)出其頻率爲(wèi)ＦＬ＝87．92Ｈｚ。從圖6阻力系(xì)數的ＦＦＴ曲線可(kě)以看出其頻(pin)率爲ＦＤ＝176．43Ｈｚ，約爲升(shēng)力系數變化(huà)頻率的2倍。



　　爲(wei)了驗證将FLUENT用(yòng)于渦街流量(liàng)計的三維流(liu)場仿真的⛱️可(kě)行性，對不同(tóng)流速下的升(shēng)、阻力頻率進(jìn)行比較，如表(biao)1所示。可以看(kàn)出阻力系數(shù)變化頻率是(shi)升力系數變(bian)化頻率的2倍(bèi)，說明用FLUENT進行(hang)渦街流量計(ji)的三維仿🈲真(zhen)是可行的。

4仿(páng)真結果
　　基于(yu)上述通過升(sheng)、阻力變化頻(pín)率的關系驗(yàn)證出利用FLUENT對(duì)三維渦街流(liú)場進行仿真(zhēn)是可行的。應(ying)用FLUENT對截流夾(jia)角、流速和信(xin)号😍強度之間(jiān)的關系進行(háng)了仿真研究(jiu)。分🥵别取7m/s、40m/s和70m/s的(de)流速，α的角度(du)在0°～10°範圍内取(qu)值（發生🌂體的(de)安裝😍偏差一(yi)般不會超過(guo)10°），進行數值仿(pang)真。記錄信号(hao)強度，如表2所(suo)示。

　　将表2的數(shu)據繪制成圖(tú)7，将圖7中流速(su)爲7m/s的數據放(fang)大㊙️如圖8所🥵示(shi)。觀察圖7、8，可以(yǐ)直觀的反應(ying)出夾角、流速(sù)與信号強度(dù)的關系變化(huà)。通過對比這(zhe)3張圖可以看(kan)出，信号強度(du)随着夾角、流(liú)🔞速的不🌐同而(ér)不同。并從圖(tu)中得出結論(lun)🔴：
1）渦街的信号(hào)強度與流速(sù)成正比，随着(zhe)流速的增加(jiā)，旋渦脫落頻(pín)率信号強度(du)會顯著增加(jiā)。
2）在流速相同(tóng)的情況下，随(suí)着夾角的增(zēng)大，信号強度(du)逐漸🙇🏻減🐕小，并(bing)随着夾角的(de)增大，信号強(qiáng)度的衰減程(cheng)度也🛀逐漸🔱增(zēng)大。夾角在1°～7°範(fàn)圍，對信号強(qiáng)度的衰減影(yǐng)響不大，可忽(hu)略，超過7°以後(hòu)對信号強度(dù)🐪影響變大，不(bú)可忽略3）在夾(jiá)角相同的情(qing)況下，随着流(liu)速的增大，信(xìn)号強度衰減(jiǎn)趨勢越來越(yuè)明顯。


5結論
　　流(liú)場仿真在渦(wō)街流量計的(de)設計和完善(shan)中正變得📱越(yue)來越重要，它(ta)通過理論支(zhī)持指導仿真(zhen)的可實施性(xìng)，并将仿真結(jié)論用于實驗(yàn)中，提高效率(lǜ)。通過模拟三(sān)維渦街流場(chang)三角柱繞流(liú)現象，将升、阻(zǔ)力頻率進行(hang)對比，驗證了(le)可将FLUENT用于三(san)維渦街流場(chang)㊙️的仿真中。并(bìng)從不同流🧡速(sù)和不同截🔴流(liu)夾角兩方♋面(mian)分别考慮，對(duì)比分析了三(sān)維渦街信号(hào)的信号強度(dù)，得出夾角在(zai)1°～7°範圍，對🛀信号(hào)強度的影響(xiǎng)不大，超過了(le)7°以後影響變(bian)大。從而爲以(yǐ)後的💁實驗做(zuo)出理論指導(dao)。進一步的研(yan)究可以通過(guo)對不同形狀(zhuang)的旋渦發生(shēng)體取🚶‍♀️不同🔴截(jié)流夾角和不(bú)同流速進行(hang)仿真對比研(yan)究。

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