摘(zhāi)要：目前對于(yú)渦街流量計(jì)
漩渦發生體(tǐ)的位置研究(jiū)僅局限于二(er)維的仿真研(yán)究🏃♂️，但⚽實際流(liú)體撞擊漩渦(wo)發生體是流(liu)體三維模型(xíng)。鑒于二維仿(páng)真并不能完(wán)㊙️全對實際流(liu)體撞擊漩渦(wō)發生體的流(liú)場進行驗證(zheng)，采用🌈數值仿(pang)🌏真軟件平Ansys+Workbench+FLUENT，根(gen)✉️據實際渦街(jiē)發生體的機(jī)械尺💁寸建立(li)相應的三維(wei)仿真模型。并(bing)對仿真模型(xíng)進行網格細(xì)✍️分，再通過N—s方(fang)程進行求解(jiě)計算，通過仿(pang)真與在線實(shí)驗對比驗證(zheng)表明通過FIUENT軟(ruǎn)件對實際渦(wo)街流場進行(hang)仿真的可行(háng)性。最終利用(yòng)FLUENT軟件，對不同(tóng)流速，通過調(diao)整發生體平(píng)🌈移的位置最(zuì)終确定發生(sheng)體位置對渦(wo)街信号的影(ying)🌂響，從而确定(dìng)發生🔞體允許(xu)最大的平移(yí)位置占。
1引言(yán)
随着渦街流(liú)量計在國内(nei)各行各業的(de)使用量逐漸(jiàn)增大，各高校(xiao)☔、研究所和流(liú)量計生産廠(chang)商的學者和(he)研究人員也(yě)對☁️此展開了(le)各方面的研(yán)究，渦街流場(chang)的數值☁️仿真(zhen)的研究和實(shi)現也是其中(zhong)一個重點]。
基(jī)于渦街流量(liàng)計的測量原(yuan)理渦街發生(shēng)體的設計要(yao)👈求就尤爲重(zhòng)要，而在實際(jì)設計生産當(dāng)中不能保證(zheng)發生體的中(zhōng)心位置在☁️管(guan)道的中軸線(xiàn)上，發生體與(yu)管道中軸線(xiàn)偏離多少會(huì)對最終的測(cè)量産生影響(xiǎng)需要重複更(gèng)換發生體，操(cao)作起來費時(shí)費力。鑒于☀️以(yi)上原因對進(jìn)行對渦街發(fā)生體移動位(wèi)置進行仿👨❤️👨真(zhen)研究，通過🌈仿(páng)真結果來指(zhi)導物理實驗(yàn)，并根據物理(lǐ)實驗結果進(jìn)一🌍步完善傳(chuán)感器結🐅構。
2渦(wō)街流量計原(yuan)理
渦街流量(liàng)計利用流體(ti)振動原理進(jìn)行流量測量(liang)，在特定的流(liu)動條件下,流(liu)體-部分動能(néng)轉化爲振動(dong),其振動頻率(lǜ)🈲與流速(流量(liang))有⁉️确定的比(bi)例關系。1878年斯(sī)特🐅勞哈爾🏃♀️(Strouhal)發(fa)表了🌈關于流(liú)✊體振動頻率(lü)與流速關系(xi)的文章的。渦(wo)街流量計的(de)基本原理是(shì):在與💃🏻被測介(jie)質流向垂直(zhi)的方向放置(zhi)--個♍非流線型(xíng)旋渦發生體(tǐ)，當👨❤️👨流體流過(guo)該旋渦發生(sheng)體時，在發生(sheng)體後方兩側(ce)交替地分離(li)📞釋放出兩列(lie)規則的交錯(cuo)🈲排列的旋渦(wō)，稱🎯爲馮.卡爾(ěr)曼渦街們🔱，如(ru)圖1所示。當旋(xuan)渦發生體右(you)(或左)下方産(chan)生一個旋渦(wō)後，在旋渦發(fa)生體上産💃生(shēng)一個升力。在(zai)旋渦發⭐生體(ti)的後方安裝(zhuang)應力式壓電(dian)傳感器，可以(yǐ)将㊙️作用在旋(xuan)渦發生體上(shàng)的升力轉換(huan)爲🧡電荷信号(hao)。該電荷信号(hào)的🐉變化頻率(lǜ)與旋渦的脫(tuō)離頻率一.緻(zhi)。通過檢測電(diàn)荷信号的變(biàn)化頻🌈率，就可(ke)以得到旋渦(wo)的分離頻率(lü)口。
3渦街流(liú)場模型分析(xi)
雷諾時均方(fāng)程的方法求(qiú)解出來的是(shì)流動變量的(de)針對時間的(de)平均值.無法(fa)給出流場結(jié)構的詳細信(xin)息，體現不出(chū)湍流流動的(de)瞬時性特點(diǎn)。大渦模拟(LargeEddySimulation,LES)是(shi)近代湍流研(yán)究中,用計算(suàn)機直接求解(jiě)🥵N-S方程的一種(zhong)方法,它從空(kōng)間的角度對(dui)大渦進行直(zhí)接模拟，對小(xiǎo)❓渦進行模型(xíng)化處理，從而(ér)使得網格要(yao)求比DNS低。其基(ji)本思想是;将(jiāng)流動的區域(yù)分爲兩個部(bu)分:一部分是(shi)可通過求解(jie)定常三維N-S方(fāng)程獲得的大(dà)尺度渦旋流(liú)‼️動🌈部分，另一(yi)部分是不需(xū)要直接計算(suàn)☎️可采用通用(yòng)模型獲得的(de)小尺度部分(fèn)。
LES的控制方程(chéng)是對N-S方程在(zai)波數空間或(huò)物理空間進(jin)行過濾得🏃🏻到(dào)的。過濾的過(guo)程是去掉比(bǐ)過濾寬度或(huo)者給定物理(li)寬度小的旋(xuan)渦，從而得到(dao)大旋渦的控(kong)制方程。對于(yú)均勻湍流,常(cháng)用卷積濾波(bō)定義變量的(de)㊙️大尺度成分(fèn):
爲了直觀得(dé)到渦街信号(hao)真實的流動(dòng)曲線及流場(chǎng)分布,本課題(tí)采用LES湍流模(mó)型來模拟渦(wō)街流場。在CFD-Post中(zhong).選用二階迎(ying)風差分格式(shì)及SIMPLE算法”進行(hang)仿真。如圖2爲(wèi)流體流經三(san)角柱發生體(tǐ)時的流線圖(tú)，可以從圖中(zhong)🌂清晰地看到(dao)旋渦的産生(shēng)、脫落,以及渦(wō)街流量計的(de)工作流場。
4三(sān)維渦街流場(chang)仿真
通過FLUENT軟(ruǎn)件對實際管(guǎn)道中的流場(chǎng)進行仿真,其(qi)中在使用FLUENT設(shè)置相關參數(shù)時是根據實(shí)際管道中發(fa)生體的尺寸(cùn)進行配置,圖(tú)3爲實✂️際管道(dao)中發生體在(zai)管道✔️中平移(yi)後的三視圖(tu)。
發生(sheng)體中心線平(ping)行于基準軸(zhóu)線。這種情況(kuàng)下，會産生🧑🏾🤝🧑🏼位(wèi)置偏差，平移(yi)距離記作δ。如(ru)圖4所示。
在Geometry中(zhōng)建立發生體(ti)中心線平行(háng)于基準軸線(xian)的三維幾⛹🏻♀️何(hé)模❗型🐇。如圖5所(suo)示。
可以從圖(tu)7中看出即使(shǐ)發生體位置(zhì)與理想位置(zhi)存在偏差，仍(reng)然會出現旋(xuan)渦脫落現象(xiang)。并且當發生(shēng)體上側的旋(xuán)渦從産生到(dao)脫落時.發生(shēng)體下側在爲(wèi)旋渦的産生(sheng)做準備，而不(bú)♈會産生🍉旋渦(wō)。同時當上側(cè)旋渦離開發(fā)🈲生體一段距(ju)離以後，下側(ce)才開始出現(xian)旋💃渦。
發生體(tǐ)在理想位置(zhì)時産生的旋(xuan)渦是交替排(pái)列的，而發🔆生(sheng)體在中心線(xiàn)發生平移的(de)情況下，會根(gēn)據δ的不同使(shǐ)得旋渦脫落(luò)後朝中心線(xiàn)相對基準軸(zhóu)線平移的方(fang)向碰撞到管(guan)壁。針對此現(xian)象對♋低速(4m/s)、中(zhōng)速(40m/s)和高速(70m/s)流(liú)速下進行仿(páng)🎯真研究，并将(jiang)數據記錄到(dào)表1中🛀🏻。
爲了更(gèng)爲直觀地反(fǎn)映出圖8中不(bú)同流速下的(de)旋渦信号強(qiang)度♍随💚平移位(wei)置的變化規(gui)律,現将表1中(zhōng)的旋💔渦信号(hào)強度用表2的(de)偏移程度來(lai)表示。
将表(biǎo)2中的數據繪(hui)制成圖8。從圖(tú)中可以看出(chū)信号強🌍度随(suí)着偏移距離(li)，流速的不同(tong)而不同。并且(qiě)得出以下結(jié)論:無論是低(di)速(4m/s).中速💔(40m/s)、還是(shi)高速(70m/s)流速下(xià),随着平移距(ju)離的增加，信(xìn)号強☂️度減弱(ruo),偏移程㊙️度增(zēng)加。平移距離(li)越小，偏移程(chéng)度越小,随着(zhe)平移距離的(de)增加，平📱移距(ju)離與偏移程(chéng)度近似于平(ping)方關系。
通過(guo)觀察低速(4m/s)、中(zhōng)速(40m/s)和高速(70m/s)流(liú)速下渦街流(liú)場中旋渦的(de)産生⭐-脫♉落圖(tu)，可以發現，當(dāng)平移距離較(jiào)小時，會在發(fa)生體尾部生(shēng)成🈲兩列規則(ze)排列的旋渦(wō)。繼續增加偏(pian)移距離，會出(chū)現旋渦發生(sheng)體尾部産生(sheng)交替排列的(de)旋渦㊙️向發生(shēng)體📞尾部産生(shēng)的旋渦碰撞(zhuàng)到管壁的過(guo)渡點。流速爲(wei)4m/s時，過渡點在(zai)0.3d處;流速⭐爲40m/s和(hé)70m/s時，過渡✔️點在(zai)0.4d處。也就是🤩說(shuō)，當流速爲4m/s,平(ping)移距離爲0.3d、0.4d和(he)0.5d時，發生體産(chan)生的旋渦會(hui)碰撞到管壁(bì);當流速爲40m/s或(huo)70m/s,偏移距離爲(wei)0.4d和0.5d時，發生體(tǐ)産生的旋渦(wo)會碰撞到🏃♂️管(guan)壁。
5仿真與實(shi)際流速對比(bi)
實驗室使用(yong)50mm口徑液體流(liú)場進行實驗(yàn)其中實驗裝(zhuāng)置如圖9所💋示(shì),由于限制本(ben)實驗主要針(zhen)對低流速下(xià)進行實驗仿(páng)真對比。
渦街流量計(ji)安裝在閥門(mén)的下遊,由于(yú)閥門上遊連(lian)接的，水箱在(zài)水泵不斷送(sòng)水的狀态下(xià)一-直呈溢出(chu)狀态😘，因此可(ke)認爲上遊水(shuǐ)箱的液位是(shì)穩定的。實驗(yan)中通過調節(jie)閥⛹🏻♀️門的開度(du)達到控制回(huí)⭐路中流量大(da)小，同時與仿(pang)真中的流速(sù)進行對比，其(qi)中🔴δ爲發生體(ti)平移距離。
6結(jie)論
流場仿真(zhen)在渦街流量(liàng)計傳感器設(shè)計以及優化(hua)傳感器設計(ji)變得越來越(yuè)重要,它通過(guo)理論支持指(zhǐ)導仿真的可(ke)實施👄性，并将(jiang)仿真結論用(yòng)于實驗中,大(da)大縮短了設(shè)計周期。
通過(guo)模拟三維渦(wo)街流場以及(jí)渦街流量計(jì)的漩渦🈲發生(sheng)🈲體,通過改變(bian)發生體與管(guan)道基準軸的(de)距離從而得(dé)到不同的漩(xuan)渦信号,通過(guò)仿真與實際(ji)管道流體的(de)實驗對比可(ke)以看出,在發(fā)生體中心線(xiàn)相對于✊基準(zhun)軸線發生平(ping)移☁️的情況下(xia)🙇♀️，渦街流場的(de)旋渦信🚶号強(qiang)度是流體流(liu)速和平移距(ju)離的共同作(zuò)用結果,同時(shi)在發生體偏(pian)離中心軸在(zai)0.05d以内則不影(yǐng)響渦街流量(liàng)計的最終測(cè)量精度📞,這爲(wèi)實際設計發(fā)生體做出理(li)論指導。
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