摘要:爲(wei)了研究(jiū)渦街流(liú)量計 内(nei)部流場(chǎng)結構,通(tōng)過GAMBI軟件(jian)的非結(jié)構化網(wang)格技術(shu)和💯FLUENT軟💘件(jiàn)的RNGke模型(xíng)對渦街(jie)流量計(ji)的流場(chǎng)進行了(le)三維數(shù)值模拟(ni),描✏️繪了(le)渦街産(chǎn)生和脫(tuō)落過程(chéng),着重分(fen)析了壁(bì)面壓✉️力(li)分布随(sui)渦街脫(tuo)落的♌演(yǎn)變情況(kuàng)。結果表(biao)明:渦街(jiē)流場中(zhōng)靠近旋(xuan)渦發生(shēng)體的壁(bi)面靜壓(ya)有較明(ming)顯的波(bo)動,在距(jù)離旋渦(wō)發生體(ti)一定範(fan)圍内,越(yuè)靠近旋(xuan)渦發生(sheng)體,靜壓(yā)幅度越(yue)大;而😘在(zài)對稱于(yu)管道軸(zhóu)線的位(wei)置,壁面(miàn)靜壓❗幅(fú)度相等(deng),相位相(xiàng)反。該研(yán)究爲優(yōu)化渦街(jie)流量計(ji)的結構(gou)設計和(he)測量性(xing)能提供(gòng)了有益(yì)的參考(kao)☁️。
0引言
　　渦(wō)街流量(liang)計是近(jìn)年發展(zhan)勢頭良(liáng)好.優點(dian)突出的(de)一類新(xīn)型流🔞量(liang)🌈測量裝(zhuāng)置。它利(lì)用在特(te)定的流(liú)動條件(jian)下流體(ti)部分動(dong)能産😘生(shēng)流🌐體振(zhen)動,且振(zhèn)動頻率(lü)與流量(liang)成正比(bǐ)這一特(te)征關系(xi)來進行(hang)工作。隻(zhi)要采用(yòng)合适的(de)檢測🧑🏽‍🤝‍🧑🏻方(fang)法從與(yu)渦街脫(tuo)落㊙️相伴(ban)的周期(qi)振動的(de)流速、壓(yā)力中👉提(tí)取出頻(pín)率🐅,那麽(me),就可以(yi)❓得到管(guǎn)道内🥰被(bèi)測流體(ti)的流量(liàng)值川。渦(wō)街流✏️量(liàng)計的性(xing)能在很(hěn)大🔴程度(dù)上受到(dao)渦街流(liú)場結構(gòu)及其内(nei)部參數(shù)的時空(kōng)分布的(de)影響。因(yin)此,研✂️究(jiu)渦街流(liú)量計内(nèi)部流動(dòng)特性對(duì)優化其(qí)測量性(xing)能具有(you)十分⛹🏻‍♀️重(zhòng)要的意(yì)義。
　　由于(yu)旋渦發(fa)生體的(de)阻流作(zuo)用,渦街(jiē)在管道(dào)内的流(liú)動是強(qiang)烈的非(fei)線性時(shi)變湍流(liu),難以解(jie)析地求(qiu)得流👌場(chang)分布情(qíng)況,所以(yi),至今人(ren)❓們對旋(xuan)渦發生(sheng)體後旋(xuán)渦形成(chéng)和脫落(luò)過程的(de)認識幾(jǐ)乎全部(bu)依❄️賴于(yu)經驗和(he)🌐實驗。随(sui)着♻️計算(suan)機技術(shu)的飛速(sù)發展,建(jiàn)立在經(jing)典流體(tǐ)力學與(yǔ)數☎️值方(fang)法基礎(chu)上的計(jì)算流體(tǐ)動力學(xue)爲人們(men)研究複(fú)雜流動(dòng)問題提(ti)供了一(yi)種有效(xiào)的🈲解決(jué)🙇‍♀️方法,通(tong)過計算(suan)機🔞數值(zhí)計算方(fāng)法和圖(tú)像顯示(shi)技術,可(kě)以得到(dao)在時間(jian)和空間(jiān).上定量(liang)描述流(liu)場的數(shù)值解。
　　目(mu)前,人們(men)對渦街(jie)流場的(de)數值模(mó)拟逐漸(jiàn)從二維(wéi)過渡到(dào)🔞和渦方(fāng)🐕法等。國(guó)内外研(yán)究人員(yuán)采用了(le)各種數(shu)值算法(fa)對💃🏻不同(tóng)形狀旋(xuán)渦發生(sheng)體在不(bú)同雷諾(nuo)數下進(jìn)行了模(mó)拟計算(suàn)。總體💋.上(shang)說來,在(zài)雷諾數(shù)較小時(shi),數值模(mo)拟的結(jie)果與實(shi)際情況(kuang)符合較(jiao)好,但是(shi),在雷諾(nuo)🐪數較大(da)時,各🥰種(zhong)因素對(dui)渦街的(de)影響十(shi)分複雜(za),數值🍓模(mó)拟的結(jie)果🏃🏻還不(bu)盡如人(ren)意,許多(duō)問題還(hái)待于進(jin)一🥰步深(shēn)入研究(jiū)。
　　本文利(li)用先進(jìn)的計算(suàn)流體力(lì)學軟件(jian)FUENT及其前(qián)處理軟(ruan)件👉GAMBII對渦(wō)街流量(liang)計内壁(bi)面壓力(lì)分布進(jìn)行了數(shù)值模拟(ni),目的❄️在(zài)于獲得(de)關于渦(wō)街流量(liàng)計内部(bù)流場的(de)定性或(huo)半定量(liang)的認識(shí),爲優化(hua)渦街流(liu)量計的(de)結構設(she)計和測(cè)量性能(neng)提供有(yǒu)益的參(cān)考。
1計算(suàn)域和網(wang)格
　　在模(mo)拟過程(cheng)中,渦街(jiē)流量計(jì)的計算(suàn)域簡化(huà)爲具有(you)💚圓形進(jin)出口邊(biān)界的軸(zhou)對稱三(sān)維幾何(hé)模型,坐(zuò)标原點(dian)設😘在旋(xuán)渦發生(shēng)體迎流(liu)❤️面的中(zhong)心,如圖(tu)1所示。管(guǎn)道内徑(jìng)爲50mm,旋渦(wo)發生體(ti)爲梯形(xíng)柱體,迎(ying)流面寬(kuān)度爲14mm.圖(tú)1給出了(le):=0截面(=軸(zhou)方向🐅垂(chuí)直紙面(mian)向外)管(guǎn)道和旋(xuán)渦發生(shēng)體的二(er)維計算(suàn)域及其(qi)網格的(de)示意🈲圖(tu)。爲了真(zhen)實㊙️地模(mó)拟實際(ji)流🔴動狀(zhuàng)況，利用(yòng)GAMBI軟件生(sheng)成了非(fei)結構化(hua)的三角(jiǎo)網⭕格。由(you)于旋渦(wō)發生體(ti)附近流(liú)場變化(huà)劇烈,因(yīn)此,對其(qí)周圍的(de)網格進(jin)行了局(ju)部加密(mi)🌂處理。不(bú)同流速(su)的流🈲動(dong)情況通(tong)過改變(biàn)入👌口速(sù)度來模(mó)拟❗。各求(qiú)解變量(liàng)收斂殘(cán)差✏️值設(she)置爲1x105。入(rù)口邊界(jiè)設置爲(wei)沿管✊道(dao)軸向均(jun)勻速度(dù)入口,其(qi)他方向(xiàng)速度均(jun)爲0。出口(kou)邊界設(she)💚置爲壓(yā)力出口(kou),壓力出(chu)口🔱處的(de)表壓爲(wei)0。管道和(he)🌈旋渦發(fā)生體均(jun)設置爲(wei)固體,并(bing)且,壁面(miàn)處無滑(hua)移。
 
2控(kong)制方程(chéng)和計算(suan)參數
　　與(yǔ)其他流(liú)動過程(cheng)相同,渦(wō)街流動(dong)的數學(xue)模型也(yě)是建立(lì)📧在質🐉量(liang)🌈守恒定(ding)律.上的(de)連續方(fang)程、動量(liàng)守恒定(ding)律上🏃‍♂️的(de)運動方(fang)程和熱(rè)力📱學第(dì)一定律(lǜ).上的本(ben)構方程(chéng)基礎上(shàng)的。綜合(hé)考慮仿(páng)真精度(du)和計算(suàn)成本,采(cǎi)用RNGke兩方(fang)程模型(xing)。
　　雷諾平(píng)均NavierSlokes方程(cheng)組爲
 
　　式(shi)中μ爲流(liú)體動力(lì)粘度;μt爲(wei)流體湍(tuan)動粘度(dù);δtf爲Koneck符号(hao);k爲🌈湍流(liú)📧脈動動(dòng)能。
 
　　式中(zhōng)Gk爲湍流(liu)動能生(shēng)成項;Gb爲(wei)湍流動(dòng)能擴散(sàn)項;ε爲流(liú)🌍體脈動(dòng)動能的(de)耗散率(lǜ);YAT爲湍流(liu)動能耗(hao)散項;αk,αs。分(fen)别爲kε的(de)逆🌈有效(xiào)普朗特(tè)數;Sk,S爲自(zi)🥰定義源(yuan)項。
有效(xiao)粘度公(gōng)式爲
 
3結(jie)果分析(xi)
　　圖2給出(chū)了介質(zhì)爲水、入(rù)口速度(du)爲15m.s1時的(de)渦街流(liú)場中靜(jìng)壓和動(dòng)壓的分(fen)布情況(kuàng)。其他介(jiè)質和入(rù)口速度(dù)時的計(ji)😍算結果(guǒ)相似。可(kě)以看出(chu):旋渦從(cong)渦街發(fa)生體兩(liang)側交替(ti)脫離形(xing)成渦街(jie),分離點(diǎn)🔅在梯形(xing)柱的銳(rui)邊上🐪。流(liú)體流過(guo)旋渦發(fa)生體後(hòu),旋渦在(zài)向下遊(yóu)運動的(de)同時,旋(xuan)渦強度(dù)也逐漸(jian)由強變(bian)弱。相應(ying)的,靜壓(yā)和動壓(ya)也都是(shì)在旋渦(wo)發生體(ti)附近較(jiào)強,在向(xiang)下遊運(yun)動的過(guo)程中強(qiang)度也逐(zhú)漸減弱(ruo)。顯然,旋(xuán)渦的周(zhōu)期性變(biàn)化使流(liu)場内各(gè)種參數(shu)都随之(zhī)發生交(jiao)替的波(bo)動,因此(cǐ)🏃‍♂️，通過檢(jiǎn)測渦街(jie)尾流中(zhong)🈲周期變(bian)化的某(mou)一參數(shù)可以獲(huo)取渦街(jie)流動特(tè)征。由于(yu)動壓的(de)檢測比(bi)較困難(nan),需🔞要将(jiang)測量件(jian)伸入管(guan)道内,因(yīn)📐此,不适(shi)宜作爲(wèi)反映渦(wō)🌈街特性(xìng)的被測(ce)特征參(cān)數。而管(guan)壁處靜(jing)壓的測(ce)量相對(duì)來說要(yao)🌐簡單容(rong)易得多(duō),取壓裝(zhuang)置垂直(zhí)于流動(dong)方👌向且(qiě)位于管(guǎn)壁上,同(tóng)時其值(zhí)隻需采(cǎi)用普通(tōng)的動态(tai)♻️壓力傳(chuan)感器即(ji)可測💃得(de)。
 
　　爲了定(dìng)量比較(jiào)渦街流(liu)場空間(jian)中不同(tong)位置處(chù)靜壓的(de)大🌈小,圖(tú)3給出了(le)靜壓在(zai)計算域(yù)中平行(hang)流向的(de):=0,y=245mm和垂直(zhí)流向的(de):=0,x=25mm兩條直(zhí)線上的(de)計算結(jie)果。可以(yǐ)看到,渦(wō)街流場(chang)🐪中靠近(jin)☁️旋渦發(fa)🔴生體管(guǎn)壁處的(de)靜壓有(yǒu)較明顯(xiǎn)的波動(dong),，沿流動(dong)方向靜(jing)壓在0~50mm區(qu)間内波(bō)動明顯(xian)、幅度最(zuì)大,即在(zài)🏃🏻‍♂️距離旋(xuán)渦發生(shēng)體一定(ding)範圍内(nei),越靠近(jin)旋渦發(fa)生體,靜(jing)壓幅度(dù)越大;而(ér)在垂直(zhi)流動方(fāng)向上🆚管(guan)道内壁(bì)處的靜(jing)🎯壓也具(jù)有較大(da)的幅度(dù)。圖4給出(chu)了計算(suan)域中:=0平(píng)面上一(yī)對軸對(dui)稱管壁(bì)處監測(cè)點P1(10,245,0)和Pi(10,24.5,0)靜(jìng)壓的計(ji)算🍉值。從(cóng)圖中可(kě)以看出(chū):管壁處(chu)軸對稱(cheng)的2點❓靜(jìng)壓波動(dòng)的幅度(du)🧡和頻率(lü)相等而(ér)相位相(xiàng)反,因此(cǐ)，若🌈在靠(kào)近旋渦(wo)🐇發生體(ti)的軸對(dui)稱管壁(bì)上設置(zhì)兩個取(qǔ)壓點測(cè)量差壓(yā),則可構(gòu)成🤞差動(dong)結💋構,獲(huò)得的信(xìn)号更強(qiáng)便于檢(jian)🌏測,通過(guo)測得的(de)靜壓差(cha)可以檢(jiǎn)👌測管内(nèi)渦街流(liu)動特性(xìng)。
 
4結束語(yu)
1)流體流(liu)過旋渦(wō)發生體(ti)後,旋渦(wō)在向下(xià)遊運動(dòng)的同時(shi)，旋渦強(qiáng)度逐漸(jiàn)由強變(biàn)弱,旋渦(wo)的周期(qi)性變化(hua)使‼️流場(chang)🌈内靜壓(ya)和動壓(yā)🧡等各種(zhǒng)參數都(dou)随之發(fā)生交替(tì)的波動(dòng);
2)渦街流(liú)量計中(zhong)靠近旋(xuán)渦發生(sheng)體的壁(bi)面靜壓(ya)有較明(míng)顯的波(bo)動,在距(ju)離旋渦(wo)發生體(ti).定範圍(wei)内,越靠(kao)近🐅旋渦(wō)發生體(tǐ),壁🏃‍♂️面靜(jìng)☀️壓幅度(du)越大,而(er)在對稱(cheng)于管道(dao)軸線的(de)位置,壁(bì)面靜壓(yā)😍幅度相(xiàng)等而相(xiàng)位相反(fǎn)。.
　　總之,渦(wō)街流量(liàng)計内壁(bì)面壓力(lì)可以較(jiào)好地表(biǎo)征渦街(jie)脫✨落的(de)過程,通(tōng)過采用(yong)合适的(de)檢測和(he)信号處(chù)理方法(fǎ)可以使(shi)人🌈.們從(cóng)📐多個角(jiǎo)度來提(ti)取渦街(jiē)特性。并(bìng)且,關于(yú)渦街流(liu)量計内(nei)部流場(chǎng)🏃🏻的定性(xìng)或半定(ding)量的認(ren)識将有(yǒu)助于優(you)化渦街(jie)流量計(jì)的結構(gou)設計及(ji)其測量(liang)性能。

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