1 引言
   随着計算(suan)機技術、數值計(ji)算技術的發展(zhǎn)，現代模拟仿真(zhēn)技術計算流體(tǐ)力學（computational　fluid　dynamics，CFD）也随之而(ér)生。它是對純理(li)論和純實驗方(fāng)法很🛀好的🌏促進(jìn)和補充。CFD作爲一(yi)門新興學科❤️，它(tā)力求😍通過數值(zhi)實驗替代實物(wù)實驗，采用虛拟(ni)流場來模拟真(zhēn)👉實流場内部的(de)流體流動情況(kuàng)㊙️，從而使得實驗(yan)研究更加方便(bian)，研究場景更加(jiā)豐富⁉️可編程。
FLUENT軟(ruǎn)件提供了多種(zhong)基于非結構化(hua)網格的複雜物(wù)理模型，并針對(duì)不同物理問題(tí)的流動特點創(chuàng)建出不同的數(shù)值解法。用戶♉可(ke)根據實際需求(qiu)自由選擇，以便(bian)在計🔅算速度、穩(wen)定性☁️和精度等(deng)方面達到最佳(jia)，提高設計效💃率(lǜ)。
  關于渦街流量(liàng)計 的發生體數(shu)值模拟研究，主(zhǔ)要集中在渦街(jie)發生體形狀💜和(hé)尺寸上。Yamasaki指出發(fa)生體的形狀與(yǔ)幾何參數和渦(wo)街流量計的流(liú)量特性（儀表系(xi)數、線性度、重複(fu)性、測量範圍）與(yǔ)阻力特性🧡存在(zài)相當大的關聯(lian)關系。S.C.Luo等人研究(jiu)旋渦發生體🧑🏽‍🤝‍🧑🏻尾(wei)緣形狀以及迎(ying)流角度對渦💛街(jiē)性能的影㊙️響，在(zài)風洞和水槽實(shí)驗中，得出在全(quan)長👨‍❤️‍👨相等的情況(kuang)下，旋渦強度随(suí)尾緣夾角的增(zeng)大而減小。彭傑(jié)綱等人在🐉50mm口徑(jìng)管道氣流量⛹🏻‍♀️實(shi)驗中，通過對不(bú)同尾緣夾角角(jiǎo)度☁️的旋渦發生(shēng)體進行🆚實驗研(yan)究，得出旋渦發(fa)生體尾緣的夾(jiá)角💞爲41.8°時具有很(hěn)好的線💃性度。賈(jiǎ)雲飛等人通過(guò)對二維渦街流(liú)場中的壓力場(chang)進行數值🥵仿真(zhen)研究，得出T形發(fa)生體産生的旋(xuán)渦信号的強度(du)要優于三角柱(zhù)發生🧡體。
    渦街流(liú)量計利用流體(ti)振動原理進行(háng)流量測量。選取(qǔ)了應力式🎯渦街(jie)流量計進行研(yan)究。它通過壓電(diàn)檢測元件獲取(qǔ)電壓頻🌈率，再根(gēn)據流體流量與(yǔ)渦街頻率成正(zhèng)🌂比得出被測流(liú)量。在過去的渦(wō)街流量計研究(jiu)中，一直将研究(jiū)重點放在真實(shí)流場實驗中，但(dan)這需要重複更(gèng)換口徑、調節流(liú)量，大大降低了(le)工作效率。爲解(jiě)決此問題，采用(yòng)三維渦街流場(chǎng)數值分析的方(fāng)法對内部流場(chǎng)的變化進行研(yan)究。
    通過FLUENT軟件對(duì)三維渦街流場(chǎng)進行數值仿真(zhēn)，并将不🧡同流速(su)下的升、阻力系(xì)數進行比較，驗(yàn)證數值仿真可(ke)行性。并通過改(gai)變💯管截面與截(jié)流面之間的夾(jiá)角，在低、中、高速(sù)流速下，進行取(qu)壓，最終得👉出随(suí)着夾角的不同(tong)，信号強度不同(tóng)。夾角在1°～7°範圍，對(dui)信号強度的衰(shuai)減影響不大，超(chāo)過7°以後對信号(hao)強度影響變大(da)，并🌈随着流速的(de)增加，趨勢越來(lái)越強。
2 升、阻力系(xì)數
    旋渦脫落時(shí)，流體施加給柱(zhù)體一個垂直于(yú)主流的周期性(xing)交⛱️變作用力，稱(chēng)爲升力。由于柱(zhù)體兩側交替的(de)釋放旋渦時，剛(gang)釋🔱放完渦流的(de)一側柱面，擾流(liú)改善，側面總壓(yā)力降低；将要釋(shi)放渦流的另一(yī)側柱面，擾流較(jiào)差，側面總壓力(lì)較大，從而形成(cheng)一個作用在三(sān)角柱上、方向總(zong)是指向剛釋放(fang)完渦流那一側(ce)的作用力，所以(yi)升力的交變頻(pín)率和旋渦的脫(tuo)落👣頻率一緻，升(sheng)力的變化規律(lǜ)和旋渦的變化(hua)規律一緻，因而(ér)🐪通過監視柱面(mian)上的升力變化(hua)規律，可以反映(yìng)旋🆚渦脫落規🙇‍♀️律(lǜ)。
    阻力系數反映(yìng)的是柱體迎流(liu)方向上的作用(yong)力變化情況，每(mei)✍️當🥰柱體兩側不(bu)管哪一邊的釋(shi)放旋渦一次，迎(yíng)流方😍向上👈的作(zuò)㊙️用力都會随壓(yā)力變化有規律(lǜ)🏃‍♀️地變化一次，因(yīn)此，升力系數變(biàn)🏃🏻化的一個周期(qi)内，阻力系數變(biàn)化爲兩個周期(qī)。
3 三維渦街流場(chǎng)模拟的可行性(xing)分析
3.1 幾何建模(mo)與網格劃分
圖(tú)1是在ANSYS　Workbench中建立的(de)三維渦街流量(liang)計幾何模型。其(qi)中🙇‍♀️管道✔️口徑50mm，管(guan)道長1000mm，旋渦發生(sheng)體截流面寬度(dù)14mm，管截面💔與截☁️流(liu)面❗夾角爲α。

對幾何模(mo)型進行非結構(gou)網格劃分，作爲(wei)數值模拟的載(zai)體，如圖2所示。

3.2 仿真參(cān)數設置
在FLUENT中，三(sān)維渦街流場參(cān)數設置如下：
1）流(liú)體：空氣（air）；
2）湍流模(mó)型：Renormalization－group（RNG）k－ε模型；
3）邊界條(tiao)件
①流速入口邊(biān)界：根據需要設(she)置不同流速、湍(tuān)流動能和耗散(san)率；
②壓力出口邊(bian)界：零壓；
4）求解器(qì)：基于壓力的三(san)維雙精度瞬态(tài)求解器；
5）數值計(ji)算過程：SIMPLE算法。
3.3 升(sheng)、阻力變化頻率(lü)的計算結果及(ji)分析
圖3所示速(sù)度等值。三維渦(wō)街流場在夾角(jiao)爲0°，入口流速爲(wèi)5m/s的🌐情況下的速(sù)度等值線圖。

    通(tōng)過仿真模拟，圖(tú)4給出流速u＝5m/s時，作(zuo)用在三角柱上(shang)的升力☔系數和(hé)阻力系數變化(hua)曲線。由圖5升力(lì)系數的FFT曲線可(kě)以看出其頻率(lǜ)爲FL＝87.92Hz。從圖6阻力系(xi)數的FFT曲線可❤️以(yi)看出其頻率爲(wèi)FD＝176.43Hz，約爲升力系💰數(shu)變化頻率的2倍(bei)。

    爲了驗證将FLUENT用(yòng)于渦街流量計(ji)的三維流場仿(pang)真的可行性⛹🏻‍♀️，對(dui)不同流速下的(de)升、阻力頻率進(jin)行比較，如表1所(suo)示。可以看🔱出阻(zǔ)力系數變化頻(pín)率是升力系數(shu)變化頻💃🏻率的2倍(bèi)，說明用FLUENT進行渦(wo)街流量計的三(san)維仿真是可行(háng)的。

4 仿真結果
    基(jī)于上述通過升(sheng)、阻力變化頻率(lǜ)的關系驗證出(chu)利用FLUENT對🌏三維🐕渦(wo)街流場進行仿(pang)真是可行的。本(běn)節應用FLUENT對截流(liu)夾角、流速和信(xìn)号強度之間的(de)關系進行了💯仿(páng)真研究。分别🈚取(qu)7m/s、40m/s和70m/s的流速α的角(jiǎo)度在💘0°～10°範圍内取(qǔ)值（發生體的安(ān)裝偏差一般不(bu)會超過10°），進行數(shu)值仿真。記錄信(xin)号強🚩度，如表2所(suǒ)示♉。

    将表2的數據(ju)繪制成圖7，将圖(tu)7中流速爲7m/s的數(shu)據放大如☁️圖8所(suǒ)示。觀察圖7、8，可以(yi)直觀的反應出(chū)夾角、流速與信(xìn)号強度的關系(xì)變化。通過對比(bi)這3張圖可以看(kan)出，信号強度随(sui)着夾角、流速的(de)不‼️同而不同。并(bìng)從圖中得出結(jié)論：
1）渦街的信号(hao)強度與流速成(chéng)正比，随着流速(su)的增加，旋渦脫(tuō)落頻率信号強(qiáng)度會顯著增加(jiā)。
2）在流速相同的(de)情況下，随着夾(jia)角的增大，信号(hào)強度🚶逐漸減小(xiao)，并随着夾角的(de)增大，信号強度(du)的衰減程度也(yě)逐漸增大。夾角(jiao)在1°～7°範♊圍，對信号(hào)強度的衰減影(yǐng)響不大，可忽略(lue)🈲，超過7°以後對信(xin)号強度影響變(bian)大，不可忽略。
3）在(zài)夾角相同的情(qing)況下，随着流速(sù)的增大，信号強(qiang)度😍衰減趨⁉️勢越(yuè)㊙️來越明顯。

5 結論(lùn)
    流場仿真在渦(wo)街流量計的設(shè)計和完善中正(zhèng)變得越來越重(zhong)要👈，它通過理論(lun)支持指導仿真(zhēn)的可實施🌏性，并(bìng)将仿真結論用(yòng)于實驗中，提高(gao)效率。通過模拟(nǐ)三維渦街流場(chang)三角柱繞流現(xiàn)象，将升、阻力頻(pín)率進行對比，驗(yàn)✊證了可将FLUENT用于(yu)三維渦街流場(chǎng)的仿真中。并從(cóng)不同流速和不(bu)同截㊙️流夾角兩(liang)方面分别考慮(lü)，對比分析了三(sān)㊙️維渦街信号的(de)🌏信号強度，得出(chu)夾角在1°～7°範圍，對(dui)信号強度的影(yǐng)響不大，超💞過了(le)7°以後影響變大(da)。從而爲以後的(de)實驗做出理論(lùn)指🥰導。進一步的(de)研究可以通過(guò)對不同形狀的(de)旋渦發生體取(qǔ)不同截流夾角(jiǎo)和不同🐅流速進(jin)行仿真對比研(yán)究。

以上内容來(lái)源于網絡，如有(yǒu)侵權請聯系即(ji)删除!