摘要(yao)：通常大口(kǒu)徑管道的(de)流體流速(sù)較低,根據(ju)渦街流量(liang)計
原理,其(qi)産生的渦(wō)街信号頻(pin)率和幅值(zhi)也很低、傳(chuán)統的🐅懸🔴臂(bi)粱👨❤️👨式渦街(jie)探頭在大(da)口徑管道(dào)上應用時(shí),由于其相(xiàng)對⭕管道中(zhong)軸線的距(ju)離更遠,受(shòu)管道振動(dòng)的影響更(geng)大,無法很(hen)好地進行(hang)測量采用(yòng)數值仿真(zhēn)軟件平台(tai)Ansys+Workbench+Fluent對大口徑(jìng)渦街流量(liang)計
管道發(fā)生體處的(de)流場特性(xing)進行了分(fèn)析根據分(fen)析得出的(de)結論結合(he)大口徑管(guan)道發生體(ti)的機械特(te)性,提出了(le)位于發生(shēng)體處基于(yu)差壓原理(li)的旋渦頻(pin)率檢測方(fang)案。
大口徑(jing)渦街流量(liang)計(指管道(dao)直徑超過(guo)300mm)主要用于(yú)工🌂業管💁道(dao)📞中天然氣(qì)、蒸汽、氮氣(qì)、氫氣、空氣(qi)等介質的(de)流量計量(liàng)。例🆚如：“西🌈氣(qi)東輸”、“俄氣(qi)南下”等工(gong)程中需要(yào)用到大量(liàng)🤟的大口徑(jìng)渦街流垣(yuán)計進行流(liu)量計量。
國(guo)内外對于(yú)渦街流量(liang)計的研究(jiu)主要集中(zhōng)在中小✉️口(kǒu)👄徑,對于大(da)口徑渦街(jie)流量計的(de)研究很少(shǎo)。本課題的(de)主🈲要來源(yuán)是作者所(suo)在的課題(ti)組在現場(chang)調試傳統(tǒng)懸臂式渦(wo)街流量計(jì)時發現當(dāng)管道口徑(jìng)超過250mm時,提(ti)取到的渦(wo)街信号波(bo)形嚴重失(shi)真。對懸臂(bì)式渦街探(tan)進行改進(jìn),增加探頭(tou)的插入深(shēn)度,又🥰極易(yì)引起共振(zhen),帶來更大(dà)✍️的🔅幹擾信(xin)号因此,需(xū)要研究新(xin)的旋渦☎️頻(pín)率檢測方(fāng)案。
1渦街流(liú)量計工作(zuo)原理
渦街(jie)流量計利(li)用流體振(zhen)動原理進(jin)行流量測(cè)量,在🏃🏻特定(dìng)的流動條(tiao)件下,流體(ti)一部分動(dòng)能轉化爲(wèi)振動👨❤️👨,其振(zhèn)動頻率與(yǔ)流速(流量(liàng))有确定的(de)比例關系(xì)。基本✊原理(li)是_2]：在與被(bei)測介質流(liu)向垂直的(de)方向放置(zhi)一非流線(xiàn)型旋渦發(fa)生體,當流(liu)體流過該(gai)旋渦發生(sheng)體時,在發(fā)生體阻擋(dǎng)面後方兩(liǎng)側交替地(dì)分離釋放(fang)出兩列規(gui)則的交錯(cuo)排列的旋(xuan)渦,稱爲馮(féng)·卡爾曼渦(wo)街,如圖1所(suo)示。
旋渦脫(tuo)落頻率f與(yǔ)發生體兩(liang)側的平均(jun1)流速V之間(jiān)存在如下(xià)關🌍系式
式(shì)中,S爲斯特(te)勞哈爾系(xi)數；d爲發生(sheng)體迎流面(mian)的寬度,單(dan)化爲m。斯✍️特(tè)勞哈爾系(xì)數在很寬(kuan)的一段雷(lei)諾數範圍(wéi)内可保持(chí)不☎️變。因此(cǐ)測得頻率(lǜ)就能得到(dao)流速。
2大口(kou)徑管道渦(wō)街流場仿(pang)真
ANSYSWorkbench仿真協(xié)同平台是(shi)通過對産(chǎn)品研發流(liu)程葉1仿真(zhēn)環境㊙️的開(kai)發與實施(shi),搭建一個(gè)集成多學(xué)科異構CAE技(ji)術的仿真(zhen)系統,使得(de)整個建🌂模(mó)、仿真、分析(xī)、前後處理(li)無縫鏈接(jiē)。
FLUENT軟件運用(yòng)CFD軟件群的(de)思想,具有(you)許多優化(huà)的理模型(xing)。同時采用(yòng)✨r多種求解(jiě),『法和多重(zhòng)『舣1絡加速(su)收斂技術(shu),以此來達(da)到最佳的(de)收斂♻️精度(dù)FLUENT可以很舭(bǐ)的州測到(dào)内部流場(chǎng)的變化,通(tong)過仿真結(jie)果來指♈物(wù)理實驗、
2．1幾(ji)何模型的(de)建與網格(gé)劃分
利用(yong)ANSYSWorkbench—Geometry和ANSYSWork—bench—Mesh作爲FLUENT的(de)前處理模(mo)塊,對所研(yan)究的流場(chang)進行幾何(hé)建模和☔網(wǎng)格劃分。在(zai)Geometry中建立大(da)口徑管道(dao)二維幾何(he)模型,如圖(tu)🈲2和圖3所示(shì)。
旋(xuán)渦産生于(yú)發生體處(chu),故将發生(sheng)體處的網(wǎng)格細化,選(xuan)用🚶三角形(xing)網格,大小(xiǎo)爲6mm。’爲節省(sheng)計算資源(yuan)将前後兩(liang)部分的網(wang)格💃設置爲(wei)四邊形網(wang)格,大小爲(wèi)24mm。整個網格(ge)劃分🏒4所示(shi)。總網格數(shù)爲139194,網格質(zhì)量很好。
2．2FLUENT仿真參(cān)數的設
将(jiāng)Mesh中劃分好(hǎo)的網格文(wen)件導入FLUENT,進(jìn)行計算設(shè)置FLUENT的仿真(zhen)參數🔴如下(xià)：
1)求解器(solution)：基(ji)于壓力的(de)二維雙精(jing)度瞬态(Transient)求(qiú)解器。
2)流體(ti)：空氣,密度(dù)1．225kg/rn3,運動粘度(du)1．7894xl0-5m2/s。
3)邊界條件(jiàn)(Boundarycondition)：人口,流速(su)入口(veloci—ty—inlet),根據(jù)需要設置(zhì)不同的流(liú)⛱️速；出☂️口,壓(ya)力出口(pres—sure—outlet),零(líng)壓。
4)非穩态(tài)計算時間(jiān)步長(timestepsize)：時間(jiān)步長取決(jué)的網格大(da)小🏃🏻♂️ΔX與流速(sù)V。一般取時(shí)間步長T=ΔX/V,根(gen)據波形再(zai)作适當的(de)調整
5)湍流(liu)模型：RNGK—?模型(xing)。
6)監測點：監(jiān)測參數爲(wei)渦街靜态(tài)壓力(Ve~exAverageStaticPressure),具體(tǐ)位置如圖(tu)5所👌示。差壓(ya)傳感器放(fàng)置位置爲(wei)将發生體(ti)的三角形(xing)邊三🤞等分(fèn)。
2．3仿真數據(ju)記錄
将氣(qì)體流速分(fen)别設置爲(wèi)5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。運行100步之(zhi)後,波形呈(cheng)現周期性(xing)。空☀️氣流量(liang)爲5m/s時渦街(jiē)流場的靜(jing)壓、速度參(cān)數的分布(bù)情況如圖(tu)6所示。對穩(wen)定後的波(bō)形作傅裏(lǐ)葉變換,如(rú)圖7所示。
表(biǎo)1～表5依次爲(wei)氣體流速(sù)爲5m/S、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s時不同(tong)取壓位置(zhi)的信号🈲記(jì)🈲錄。
2.4數據分(fen)析
從表1～表(biao)5中我們可(kě)以看出,當(dāng)取壓位置(zhì)位于發生(shēng)體後時,同(tong)一流速下(xia),壓力最大(dà)的點位于(yú)發生體後(hòu)1.5d處,即P3處；當(dang)取壓位置(zhi)位于發生(shēng)體處時,同(tóng)一流速下(xià),壓☁️力變化(hua)不大,隻有(yǒu)PD3明顯小于(yu)PD2和PD1。爲了兼(jiān)顧到渦街(jiē)信号的穩(wen)定性,應盡(jin)量将差壓(ya)傳感器安(an)裝在離發(fā)生體迎流(liú)遠的💞位置(zhi),因此取PD2處(chu)。不同流速(su)下P3和PD2處的(de)壓力對比(bǐ),如圖8所示(shì)。
由圖8中曲(qǔ)線可知,PD2處(chù)的壓力明(ming)顯大于P3處(chu),且其值越(yuè)爲4倍關系(xì)。
3試驗結論(lùn)
大口徑渦(wo)街信号發(fā)生體的尺(chǐ)寸通常很(hěn)大,所以其(qí)結🐪構爲🧑🏾🤝🧑🏼鋼(gāng)闆拼接的(de)中空結構(gòu)。發生體的(de)沿管道方(fāng)向的長度(dù)較長👅,足以(yi)保證渦街(jie)信号穩定(dìng)形成。且由(you)上面仿✌️真(zhen)的結論可(ke)知📐PD2處的渦(wo)街信号強(qiang)度爲P3處的(de)✔️4倍左右。因(yīn)此,本文提(ti)出了如圖(tu)9所示的漩(xuán)渦頻率檢(jian)測裝置。
進(jin)一步的研(yán)究還需要(yao)制作旋渦(wō)發生體實(shí)物,在實際(ji)的🔴大口🏃🏻徑(jing)管道上驗(yan)證方案的(de)可行性,測(cè)試其抗♋振(zhèn)動😘性、重複(fu)性等。
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