蒸汽作爲(wèi)一種重要的(de)二次清潔能(neng)源，在電廠、石(shí)油化工、食品(pin)、機械加工等(deng)工業生産領(ling)域和人民的(de)日常生活中(zhōng)占據了越來(lái)越重要的地(di)位。爲了提高(gāo)蒸汽的計量(liàng)水平，标準孔(kǒng)闆、噴嘴以及(jí)渦街流量計(jì)等多種類型(xing)的蒸汽儀表(biǎo)，而在衆多類(lèi)型蒸汽儀表(biao)中✂️，渦⛱️街流量(liang)計以其結構(gou)簡單、測量範(fàn)圍寬、壓損小(xiao)😘、測量❄️時無可(kě)動🚶件等優點(diǎn)🈲在蒸汽計量(liàng)中得到快速(su)的推廣和使(shǐ)用。
1 渦街流量(liàng)計
　　渦街流量(liàng)計 ( 又稱旋渦(wō)流量計) 是根(gēn)據 “卡門渦街(jiē)”原🈚理研♌制成(cheng)的流體振蕩(dàng)式流量測量(liang)儀表。所謂 “卡(ka)門💋渦街”現象(xiàng)就是在測量(liang)管⭐道流動的(de)流體中插入(rù)一根 ( 或多根(gēn)) 迎流面爲非(fēi)流線型的旋(xuán)渦發生體，當(dāng)雷👣諾數達到(dào)🏃一定值時，從(cong)旋渦發生體(tǐ)下遊兩側交(jiāo)替🌍地分離釋(shì)放🏃🏻‍♂️出兩串規(gui)則的交錯排(pai)列的旋渦，這(zhe)種旋渦稱爲(wei)卡🔴門渦街。在(zài)一定雷諾數(shù)範圍内，旋渦(wo)的🙇🏻分離頻率(lü)與旋渦發生(sheng)體的幾何尺(chǐ)寸、管道的幾(ji)何尺寸有關(guan)，旋渦的頻率(lü)正比于管道(dao)流體流量，并(bing)可由各種型(xíng)式的傳感器(qi)檢出，渦街流(liú)量計工作原(yuan)理如圖 1 所示(shi)。

卡門渦街頻(pín)率計算公式(shì)爲:

　　式中: f 爲旋(xuán)渦頻率; Sr爲斯(si)特勞哈爾數(shu); m 爲旋渦發生(shēng)體兩側弓形(xíng)面積與管道(dào)橫截面面積(ji)之比，不可壓(ya)縮流體⭐中，由(you)于流體密度(du) ρ 不變，由連續(xu)性方程可得(dé)到 m = U/U1。

　　不同介質(zhì)對渦街流量(liang)計性能的影(yǐng)響最終體現(xian)在儀🐪表系數(shù)的✂️差異上，所(suǒ)以本文使用(yong) Fluent 軟件建立渦(wō)街流量計的(de)幾何模型，然(rán)後對不同介(jiè)質下的流場(chang)進行仿真分(fen)析，并仿真得(dé)到不同介質(zhì)下的儀表系(xì)數，最終通過(guo)實驗驗證得(de)到空氣和水(shuǐ)作爲替代介(jie)質導緻的與(yǔ)蒸汽實流标(biāo)定🌏得到的儀(yi)表🚶‍♀️系的差異(yì)。
2 仿真模型與(yǔ)條件的設定(ding)
2. 1 仿真模型
　　選(xuǎn)擇 DN100 口徑的渦(wō)街流量計進(jin)行研究，利用(yòng) Gambit 軟件建立渦(wō)街流量計幾(ji)何模型并劃(hua)分網格，渦街(jie)流量計發生(sheng)體橫截面網(wǎng)格如🚩圖 2 所示(shì)。

　　爲(wèi)了提高計算(suan)效率，渦街發(fā)生體處重點(dian)加密，其他區(qū)域适當的稀(xī)疏。從圖 2 可以(yǐ)看出，渦街發(fā)生體所處流(liu)場網格均勻(yun)加密。通過加(jiā)密畫法，靠近(jin)渦街發生體(ti)的橫截面網(wǎng)格較密，遠離(li)渦街發生🐇體(ti)而靠近管⚽壁(bì)的網格較稀(xī)疏。
2. 2 仿真條件(jiàn)設定
　　仿真選(xuan)擇三種流體(tǐ)材質，分别爲(wèi)空氣和蒸汽(qì)兩種💯可💁壓縮(suo)流體🌈以及不(bú)可壓縮的水(shuǐ)，在 Fluent 中空氣和(he)蒸汽材質通(tong)過設定🈚氣體(tǐ)的密度選項(xiang)來實現。對于(yú)不可壓縮流(liu)體選擇🔞的密(mi)度爲常數; 空(kōng)氣介質選擇(zé)默認密度 1. 225 kg/m3，其(qí)密度設定爲(wèi)理想氣體，在(zài)叠代計算的(de)過程⛹🏻‍♀️中，根據(jù)氣體狀态方(fāng)程壓強的變(bian)化修正流體(tǐ)的密度; 蒸汽(qì)介質🔞的密度(dù)根據IF － 97 公式📐，利(lì)用 UDF 編程設置(zhi)。
仿真模型選(xuǎn)擇 ＲNG k － ε 雙方程湍(tuān)流模型，該模(mo)型可以很好(hao)地處理高應(ying)變率以及流(liu)線彎曲程度(du)較大的流體(tǐ)流動，非常适(shì)合⭕具有旋渦(wō)脫落現象的(de)渦街流場仿(páng)💔真［8］。
3 流場仿真(zhen)分析
　　根據公(gōng)式 ( 1) 可知，影響(xiǎng)渦街流量計(ji)旋渦頻率的(de)是發生體兩(liǎng)側的流速 U1和(hé)發生體的結(jie)構，由于發生(sheng)體結構尺寸(cun)是固定👌的，因(yin)此頻率隻與(yu) U1相關，需要觀(guān)測在相同入(rù)口流速✉️ U 的條(tiáo)件🎯下 U1變化來(lái)得到頻率的(de)變化，而速度(dù)的變化必然(ran)會導緻流體(tǐ)密度的變化(huà)，因此❄️可觀測(ce)發生體兩側(cè)的密度雲圖(tú)，來判斷可壓(ya)縮性🌂對渦街(jiē)流量計流速(sù) U1的影響，通過(guo)仿真得到如(ru)圖 3 ( a) 所示的不(bu)可壓縮流體(tǐ)發生✉️體兩側(ce)的🎯密度雲圖(tu)和如圖 3 ( b) 所示(shì)的可壓縮流(liú)體發生體兩(liǎng)側的密度雲(yun)圖。

　　由圖 3 可以(yi)看出，不可壓(ya)縮流體的密(mi)度在仿真過(guo)程中沒有🙇‍♀️發(fā)生變化，可壓(ya)縮流體的密(mi)度發生了變(biàn)化⭐，必然🌐會導(dǎo)緻兩側速🈲度(dù) U1的變化。可壓(yā)縮流體經過(guò)發生體後❄️密(mì)度變🈲小會導(dao)緻 U1變大。
　　根據(jù)圖 3 得到的結(jié)論，對渦街流(liú)量計進行蒸(zheng)汽、空氣和水(shui)三種介質下(xià)的軟件仿真(zhēn)，設置三種介(jie)質的入口流(liú)速均爲 50 m/s，取渦(wō)街發生體迎(yíng)流面側棱中(zhong)點與管⭐壁連(lian)線，如圖 2 中線(xian)段 ab所示。取該(gāi)線上的速度(du)值，将蒸汽、空(kong)氣和水三種(zhong)介質下的速(sù)度曲線進♉行(hang)比較，結🌈果如(ru)圖 4所示。

　　從圖(tú) 4 中可以看出(chū)，在靠近渦街(jie)發生體的位(wei)置，可壓縮流(liú)體流速明顯(xiǎn)大于不可壓(ya)縮流體流速(sù)，且空氣⚽的流(liú)速要大于蒸(zheng)汽🔞介質的流(liú)速。因此空氣(qì)介質受氣體(ti)可❗壓縮性的(de)影響較大。
　　渦(wo)街流量計的(de)計量性能最(zui)終反映到儀(yí)表系數上，渦(wo)街🌍流量計❓兩(liǎng)側的旋渦頻(pin)率決定了儀(yí)表系數的大(da)小，圖 5 爲仿真(zhen)得到的渦⛷️街(jie)流量計渦流(liu)流場靜壓雲(yun)圖。從圖中可(kě)‼️以看出兩個(ge)明☔顯的脫💋落(luo)旋渦。圖中 A 區(qu)域靜壓大，B 區(qu)域靜壓小。靜(jing)壓最小的位(wèi)置是 C 處，也就(jiù)是脫落旋渦(wō)的渦心位置(zhì)。檢測渦街發(fā)生體下遊🚶‍♀️ 1D 處(chu)的靜壓變化(hua)得到如圖 6 所(suǒ)示的靜壓變(biàn)化圖。

　　對圖 6 中靜壓(yā)數值進行快(kuai)速傅立葉變(bian)換，得到如圖(tu) 7 所示的三種(zhong)介質下的旋(xuán)渦脫落頻率(lǜ)圖。
通過讀取(qǔ)圖 7 三種介質(zhi)旋渦脫落頻(pín)率圖最高

點的(de)頻率，可以得(de)到空氣介質(zhi)的旋渦脫落(luo)頻率爲1 595 Hz，蒸🔞汽(qì)介質的旋渦(wo)脫落頻率爲(wèi) 1 579 Hz，水介質的旋(xuan)渦脫落頻率(lü)爲1 559 Hz。代⚽入公💃🏻式(shi) ( 1)可以發現，渦(wo)街流量計在(zai)相同管道直(zhi)徑💃相同入口(kǒu)速度的情況(kuàng)下在水介質(zhì)中得到的儀(yí)表系數最小(xiǎo)、蒸汽次之、空(kong)氣最大。說明(ming)空氣受氣體(ti)介質的可壓(yā)縮性影響大(dà)，在發生體兩(liang)側的密度變(bian)化率較㊙️蒸汽(qi)要大。
4 實驗驗(yàn)證
　　爲驗證仿(pang)真分析得到(dao)的結論，利用(yòng)負壓法音速(su)噴嘴氣🤩體流(liu)量計量标準(zhǔn)裝置、蒸汽實(shí)流計量标準(zhun)裝置和水流(liú)量計量标準(zhǔn)裝置對該結(jie)構類型的渦(wo)街流量計進(jìn)行三種介質(zhì)🏃的實驗研究(jiu)，各測試條件(jiàn)參數如表 1 所(suo)示。

在上述實(shí)驗條件下得(dé)到三種标準(zhun)計量裝置的(de)儀㊙️表系數，實(shi)驗🈚結果如圖(tú) 8 所示。

　　由圖(tú) 8 可看出，在實(shi)驗過程中，空(kōng)氣與水的儀(yí)表系數與仿(páng)真分📧析👌基本(běn)相符，但蒸汽(qì)介質的儀表(biǎo)系數要小，這(zhè)主要是因爲(wèi)蒸汽介質的(de)高溫使發生(shēng)體的幾何尺(chi)寸🏃🏻‍♂️發生變化(huà)導緻🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的儀表(biǎo)系數的改變(biàn)。
根據經驗公(gōng)式 ( 4) :

　　由公式 ( 4) 可(ke)以知道随着(zhe)溫度的升高(gāo)，儀表系數會(hui)減⭐小，因此就(jiù)出現了圖 8 所(suǒ)示實驗數據(jù)與圖 7 仿真頻(pín)率計算出的(de)儀表系數的(de)微小差異。
5 結(jie)論
　　利用 Fluent 軟件(jiàn)實現了渦街(jie)流量計在不(bú)同介質下的(de)流場仿真，根(gen)據卡門渦街(jie)的産生機理(lǐ)，對比分析了(le)空氣、蒸汽和(hé)水三種不同(tóng)介質條件下(xià)的流場，仿真(zhen)結果表明随(suí)着可壓縮性(xìng)的增強🔞，渦街(jie)流量計的儀(yi)表系數随之(zhī)變大，因此在(zai)渦街流量計(jì)的首次或者(zhe)後🏃續檢定中(zhōng)盡量采用與(yǔ)工❗況相同的(de)介💛質進行标(biao)定。

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