摘要:通(tōng)過FLUENT對典(diǎn)型的渦(wo)街流量(liang)計 在低(dī)溫流體(ti)中的卡(kǎ)門渦街(jiē)流場特(te)性進行(hang)理論分(fèn)析🧑🏾‍🤝‍🧑🏼和數(shù)值仿✊真(zhen),并與常(cháng)溫工況(kuang)下的渦(wō)街流場(chang)進行比(bi)較,分析(xi)低溫流(liú)體的旋(xuán)渦分離(lí)過程,得(dé)出流量(liàng)與渦街(jiē)分🤟離頻(pín)率的對(dui)應關系(xi)。研🚶‍♀️究表(biao)明♊,數值(zhí)仿真方(fang)法成本(běn)低,适于(yu)模拟複(fú)雜流場(chǎng),爲低溫(wēn)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(wèi)置的設(shè)計與優(yōu)化提供(gòng)理論依(yī)據。.
1引言(yán)
　　渦街流(liú)量計具(ju)有儀表(biǎo)系數穩(wen)定、瞬時(shí)流量測(cè)量正☁️确(què)、量程🚶‍♀️範(fàn)圍寬、壓(ya)力損失(shī)小、結構(gou)和檢測(cè)方式組(zu)合多樣(yàng)、便于安(ān)裝維護(hù)等諸多(duō)特點，在(zài)流量測(cè)量領域(yu)占有重(zhong)要地位(wei)。常溫下(xia)的渦街(jiē)👄流量計(jì)技術已(yi)經相當(dāng)成熟，至(zhì)今已發(fa)展爲多(duō)種旋渦(wo)發生體(ti)形式及(ji)不同檢(jiǎn)測方法(fǎ)，系列化(huà)的産品(pin)應用于(yú)各種工(gong)業領域(yu)。但用于(yú)低溫👅(特(tè)别是超(chāo)低溫,如(rú)❌液氫、液(yè)氧、液氮(dan))流體💞測(ce)量的渦(wo)街流量(liàng)計才剛(gāng)🏃🏻‍♂️剛起步(bù)，國外已(yi)在近期(qī)開展👈了(le)研究,在(zai)國外航(háng)✍️天領域(yù)的低溫(wēn)流體流(liú)量測量(liang)中使用(yòng)效果良(liáng)好，并逐(zhu)步有産(chǎn)品推向(xiàng)市場。目(mù)前,中國(guó)國内少(shao)有低溫(wēn)渦街流(liú)量計的(de)産品和(hé)文獻系(xi)統報導(dǎo)。
　　在超低(di)溫下，信(xìn)号感測(cè)器靈敏(min)度下降(jiàng),因此必(bi)須産✂️生(shēng)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(wài)，液氫、液(ye)氧和💋液(yè)氮等低(di)溫流體(tǐ)的物性(xìng)極爲特(te)殊,其黏(nián)度極低(dī),極易産(chan)生空穴(xué)。衆所周(zhou)知,旋渦(wo)發生體(ti)形狀和(hé)檢測位(wei)置對渦(wō)街流量(liang)計的測(ce)量質量(liang)影響很(hen)大，,但是(shì)受檢測(ce)條件和(he)手段的(de)限制，難(nán)以對其(qí)影響進(jin)♋行有效(xiào)評價。利(li)用計算(suàn)流體力(lì)學(CFD)數值(zhí)仿真的(de)方法模(mó)拟不同(tong)旋渦發(fā)生體渦(wō)街流量(liàng)傳感器(qi)内部流(liú)場,進而(er)确定旋(xuán)渦發生(shēng)體形狀(zhuang)以及檢(jian)測點位(wei)置👌,對渦(wo)街流量(liang)傳感器(qì)的優化(huà)具有重(zhong)要的🌈指(zhǐ)導意義(yi)。本文根(gēn)據低溫(wen)流體(以(yi)液氮爲(wei)💰例)的物(wù)性☁️參數(shu)和流體(ti)㊙️力學理(li)論,對👨‍❤️‍👨低(dī)溫渦街(jie)的流場(chǎng)進行理(lǐ)🌐論計👈算(suan)和數值(zhi)仿真,分(fen)析低溫(wēn)✂️流㊙️體渦(wō)街的産(chan)生過程(cheng),對比低(dī)🌐溫渦街(jie)和常溫(wen)渦街流(liú)場分布(bu)的異同(tong),爲低溫(wen)渦街流(liu)量計的(de)設計和(hé)優化提(ti)🌍供理論(lùn)依據。
2低(dī)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(shè)置旋渦(wō)發生體(ti),就會從(cóng)旋渦發(fā)生體兩(liang).側🌐交替(ti)地産生(shēng)有規則(zé)的旋渦(wō),這種在(zài)旋渦發(fā)生體下(xia)遊非對(dui)稱排列(lie)的旋渦(wō)🥰列即卡(kǎ)門渦街(jie)。根據卡(kǎ)門渦街(jiē)原理,旋(xuán)渦頻率(lǜ)ƒ有如下(xia)關🈲系式(shì):
 
　　式中:ƒ爲(wei)旋渦頻(pín)率,Hz;Sr爲斯(sī)特勞哈(hā)爾數,無(wú)量綱,與(yu)旋渦發(fa)💛生體形(xíng)狀及雷(lei)諾數Re有(you)關,在Re=2×104-7x106範(fàn)圍内可(kě)視爲常(chang)數⭐，例如(rú)三角柱(zhu)發生體(ti)的斯特(tè)勞哈爾(ěr)數爲Sr=0.16;V爲(wèi)測量管(guan)内被測(cè)介質的(de)平均流(liu)🌈速，m/s;m爲發(fa)生體兩(liang)側弓形(xíng)流通面(mian)積之和(he)與測量(liang)管的橫(héng)街面積(ji)之比,計(ji)算如下(xia):
 
　　式中:D爲(wei)渦街流(liú)量計管(guan)道口徑(jìng),m;d爲旋渦(wō)發生體(tǐ)迎流面(miàn)寬度,m,對(duì)于三角(jiǎo)柱發生(sheng)體而言(yán),d=0.28D。
　　渦街流(liu)量計的(de)儀表系(xi)數K:
 
　　式中(zhōng):K爲渦街(jie)流量計(ji)儀表系(xi)數,m-3;qv爲管(guǎn)道内被(bèi)測介質(zhi)的體積(jī)🥰流量,m³/s。
　　可(ke)見儀表(biǎo)系數K與(yǔ)旋渦發(fa)生體、管(guan)道的幾(jǐ)何尺寸(cùn)及斯特(tè)✨勞哈🌐爾(ěr)數Sr有關(guan)。但在Sr可(kě)視爲常(chang)數的雷(léi)諾數範(fàn)圍内,K就(jiù)隻與旋(xuan)渦發生(sheng)體形狀(zhuang)和管道(dao)幾何尺(chǐ)寸有關(guān),因此渦(wō)街流量(liàng)計輸出(chū)的脈🌏沖(chòng)頻率♌信(xin)号不受(shou)流體物(wu)性和組(zu)分變化(hua)的影響(xiǎng)，隻要正(zheng)确測得(de)旋渦頻(pin)🥰率ƒ,就可(ke)正确⁉️得(dé)知被測(cè)流💰體的(de)流速U和(hé)體積流(liu)量qv,給.信(xìn)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(lǜ)特性
　　圓(yuan)管傳輸(shu)流體的(de)雷諾數(shù)Re爲:
 
　　式中(zhong):ν爲流體(ti)運動黏(nian)度,m/s。
　　渦街(jiē)流量計(ji)測量液(ye)體的最(zuì)低流速(su)一般≥0.3m/s,最(zui)大流速(sù)💞應≤7m/s。以口(kǒu)💔徑100mm的渦(wō)街流量(liang)計爲例(lì)，在測量(liàng)液氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時(shi),其雷🧑🏽‍🤝‍🧑🏻諾(nuò)數Re的上(shang)♍下限爲(wei):1.53x105≤Re≤3.58x106，滿🐉足斯(sī)特勞哈(hā)爾數Sr可(ke)視爲常(cháng)數的雷(léi)諾數範(fàn)圍。因此(cǐ),渦街流(liú)量計的(de)特性在(zai)原理上(shàng)也可以(yǐ)适用于(yú)液氮的(de)低溫工(gong)況流量(liàng)測量。
　　依(yi)據式(3)可(ke)以計算(suan)出口徑(jìng)100mm的渦街(jiē)流量計(jì)的儀表(biao)系數K=1123m-3.
3低(di)溫渦街(jie)的流場(chǎng)仿真模(mó)型建立(lì).
3.1FLUENT在渦街(jiē)仿真中(zhong)的應用(yong)
　　計算機(jī)高性能(néng)運算的(de)不斷提(ti)高使計(jì)算流體(tǐ)力學(CFD)技(jì)😄術更加(jiā)實用,越(yue)來越完(wán)善的流(liu)體計算(suàn)模型開(kāi)始被商(shāng)業化的(de)CFD軟㊙️件所(suǒ)采用，如(rú)FLUENT集成了(le)衆多湍(tuān)流模型(xíng)、LES模型JDES模(mó)型、化學(xue)反應模(mo)型、多相(xiàng)流模型(xing)等研究(jiū)成果⛷️。近(jin)年，在渦(wo)街流量(liàng)計設計(jì)和優化(hua)中,越來(lai)越多的(de)采用了(le)FLUENT等CFD軟件(jiàn)進行數(shu)值仿真(zhen),大大節(jiē)省了開(kāi)發成本(ben)🧡和周期(qi),并且🏃🏻‍♂️對(duì)其内部(bù)流場有(yǒu)了更加(jiā)深刻和(hé)直觀🈲的(de)理解。
　　通(tong)過兩維(wéi)渦街流(liú)場的仿(páng)真,研究(jiū)了雷諾(nuò)數和剪(jiǎn)切率對(duì)🐆渦㊙️結構(gou)的影響(xiang)。通過FLUENT對(duì)渦街流(liu)量計流(liu)場進行(háng)了數值(zhí)仿真,據(jù)💚此優化(hua)設計渦(wō)街流量(liàng)計結構(gou)，選取取(qu)壓位🐪置(zhì)。研究旋(xuan)渦發生(shēng)體前後(hòu)壓差與(yu)流速之(zhī)間的關(guan)系，提出(chū)了利用(yong)單一差(chà)壓傳感(gǎn)器測💯量(liàng)質量流(liu)量的新(xin)方法♻️。通(tōng)過FLUENT對梯(tī)形💃🏻發生(sheng)體與T形(xíng)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(jiǎn)測點位(wèi)置。以上(shang)研究者(zhě)的工作(zuò)表明,利(li)用FLUENT仿真(zhēn)能夠較(jiao)真實的(de)反㊙️映渦(wo)街流量(liàng)計的内(nèi)部流場(chang)特性,在(zai)渦街流(liu)量計的(de)開發過(guo)程中扮(bàn)演越來(lai)越重要(yào)的角色(sè)。
3.2建模與(yǔ)網格劃(huà)分
　　渦街(jie)流量計(jì)的二維(wéi)仿真結(jié)構模型(xíng)如圖1所(suo)示,管道(dào)🌈口徑爲(wei)D=100mm,三角🎯柱(zhù)旋渦發(fā)生體迎(yíng)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(biāo)準。渦街(jie)流量計(ji)的網格(ge)劃⭐分采(cai)用四邊(biān)形結構(gou)化網格(gé),根據區(qū)域的不(bú)規則程(cheng)🍓度和流(liu)場的複(fu)雜程度(dù)對不同(tóng)子區域(yu)進行分(fèn)别劃分(fèn)。
 
3.3求解條(tiáo)件設置(zhi)
　　爲了能(neng)夠計算(suàn)得到流(liu)場的正(zhèng)确解,必(bi)須給定(ding)合理✔️的(de)邊界條(tiáo)件🌈和流(liú)體物性(xìng),并選擇(zé)合适的(de)求解器(qi)和計算(suàn)模型。渦(wō)街流場(chǎng)爲非👉定(dìng)常流動(dòng)，雷諾數(shu)較高,對(dui)渦街流(liu)場仿真(zhēn)的求解(jie)條件如(rú)表1設置(zhi)。
 
4仿真結(jie)果分析(xi)
4.1低溫渦(wo)街的形(xíng)成過程(chéng)
　　圖2表示(shì)了一個(ge)旋渦形(xing)成周期(qi)T内不同(tóng)時刻的(de)渦街二(èr)維流場(chang)圖,直觀(guān)反映了(le)渦街的(de)形成、脫(tuō)落過程(cheng)。可以看(kan)到邊界(jiè)層在渦(wō)街發生(sheng)體的兩(liǎng)側平行(hang)棱邊開(kai)🔴始減速(sù)增壓運(yun)動,并伴(ban)有倒流(liú)現象。倒(dǎo)🔞流沿着(zhe)壁面向(xiang)後伸展(zhan)👄使邊界(jie)層明顯(xian)增厚💯,同(tóng)時旋渦(wo)的尺寸(cùn)不斷增(zeng)大。當旋(xuan)渦增加(jiā)到一定(ding)程度後(hòu),就從發(fā)生體上(shàng)脫落分(fèn)離，随着(zhe)流體向(xiàng)下遊運(yùn)動,形成(chéng)振蕩尾(wei)流。在旋(xuan)渦的中(zhōng)心形成(cheng)低壓區(qu),會随着(zhe)旋🏃🏻‍♂️渦的(de)交替産(chǎn)生🛀🏻和☔脫(tuō)落過程(chéng),在流場(chang)中形成(chéng)周期性(xìng)變化👉的(de)壓力場(chǎng),壓力場(chang)的變化(huà)頻率與(yu)旋渦脫(tuō)落頻率(lǜ)--緻。壓電(diàn)式渦街(jie)流量計(jì)即是通(tong)過檢測(cè)流場内(nei)振蕩尾(wěi)流中特(te)定點處(chu)的壓力(lì)🔞變化頻(pín)率來測(cè)定流速(sù)。
 
4.2低溫渦(wo)街仿真(zhen)結果正(zhèng)确率驗(yàn)證
　　由于(yú)低溫渦(wo)街試驗(yàn)條件受(shòu)限,低溫(wēn)渦街仿(páng)真結果(guo)和理論(lun)計算♋值(zhí)與相同(tong)結構尺(chǐ)寸的常(cháng)溫渦街(jiē)流量🤩計(ji)在水介(jiè)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(qǔ)線的線(xian)性度都(dōu)很好，而(ér)且低溫(wēn)介質與(yu)常溫介(jie)質💰的數(shu)據比🆚較(jiao)一緻,驗(yàn)💰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(yǔ)溫度影(yǐng)響的特(tè)性。分析(xī)結果可(ke)知:渦街(jiē)🆚流量計(jì)儀表系(xì)數🤩的試(shì)驗值與(yǔ)理論計(jì)算值之(zhi)間♻️的相(xiang)對誤差(chà)在3%之内(nèi);仿真值(zhi)與試驗(yàn)值之間(jiān)的相對(dui)誤差在(zài)5%之🥵内,說(shuō)明所采(cǎi)取的仿(páng)真方法(fǎ)比較正(zheng)确,驗證(zhèng)了FLUENT數值(zhí)仿真技(jì)術用于(yú)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(wō)街與常(chang)溫渦街(jie)的流場(chǎng)分布對(duì)比
　　圖4比(bi)較了低(di)溫渦街(jiē)與常溫(wen)渦街的(de)流場分(fen)布,由于(yú)液⭕氮❗的(de)粘度比(bǐ)水低很(hěn)多,流體(tǐ)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(jiào)大，造成(chéng)低溫渦(wō)街的流(liú)場中速(su)度☂️梯度(du)較大,表(biǎo)現爲旋(xuan)渦尺寸(cun)💞比常溫(wen)工況下(xia)的旋渦(wō)小。因此(ci)，相比常(chang)溫下壓(ya)電傳🐆感(gǎn)器的安(an)置位置(zhi)而言，檢(jiǎn)測振蕩(dang)尾流中(zhōng)旋渦列(liè)的低溫(wen)渦街的(de)傳感器(qi)就要更(geng)靠近渦(wō)街發生(sheng)體,這在(zài)設計低(dī)溫🤩渦街(jiē)流量計(jì)時必須(xu)特殊考(kao)慮。
　　能量(liàng)的相對(dui)集中導(dǎo)緻了壓(ya)力梯度(dù)(主要爲(wèi)動壓)也(ye)比😍較大(da)🔆。但必須(xū)注意到(dao)，在旋渦(wō)發生體(ti)前後的(de)壓差使(shǐ)液體介(jiè)質釋放(fang)出氣體(tǐ)而在渦(wō)街發生(sheng)體末端(duān)附🤩近産(chǎn).生空穴(xué),這在低(dī)溫工況(kuang)下尤爲(wèi)嚴重。因(yīn)此,必須(xū)在渦街(jie)流量計(ji)下遊設(she)置背壓(ya)以避免(miǎn)空化現(xian)象的㊙️影(ying)響。同時(shi)也說明(míng)了采用(yòng)安置在(zai)渦街發(fā)生體上(shang)測🤞量交(jiao)變壓差(cha)或壓力(lì)脈動的(de)測量方(fāng)法,并不(bú)适用于(yú)低溫工(gong)況下的(de)渦街信(xìn)号檢測(cè)。
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(hé)脫落過(guo)程,便于(yu)更好地(dì)分析和(he)理解渦(wo)⛹🏻‍♀️街特🎯性(xìng)。
(2)分析渦(wō)街流量(liàng)計儀表(biǎo)系數的(de)理論計(jì)算數據(jù)、試驗🐕數(shu)據與仿(pang)真數據(jù),驗證了(le)将FLUENT數值(zhí)仿真技(jì)術用于(yu)渦街流(liú)量計内(nèi)部💃流場(chang)❤️分析🌈的(de)有效性(xìng),可以作(zuò)爲渦街(jiē)流量計(jì)的優化(hua)設計的(de)理論指(zhǐ)導依據(ju)。
(3)對低溫(wen)渦街和(hé)常溫渦(wō)街的流(liú)場分布(bù)進行對(duì)比,從低(dī)黏度流(liú)體🏃🏻介質(zhì)物性的(de)角度解(jiě)釋了低(di)溫渦街(jie)流場的(de)特殊性(xìng),并✂️對低(dī)溫渦街(jie)壓電傳(chuán)感器位(wèi)置設置(zhi)提出了(le)有益建(jiàn)議。

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