摘要：通常大口(kǒu)徑管道的流體流(liu)速較低,根據渦街(jie)流量計
原理,其産(chan)生的渦街信号頻(pín)率和幅值也很低(di)、傳統♈的懸臂粱式(shì)渦街探頭在大口(kǒu)徑管道上應用時(shi),由于其相對管道(dao)中軸線的距離更(geng)遠,受管道振動的(de)影響更大,無法很(hen)好地進行測量采(cai)用數值仿真軟件(jiàn)平台Ansys+Workbench+Fluent對大口徑渦(wō)街流量計
管道發(fā)生體處的流場特(te)性進行了分析根(gen)據分析得出的結(jie)論🔞結合大口徑管(guan)道發生體的機械(xiè)特性,提出了位于(yú)發生體處基于差(chà)壓原理的旋渦頻(pín)率檢測方案。
大口(kǒu)徑渦街流量計(指(zhǐ)管道直徑超過300mm)主(zhǔ)要用于工業管道(dao)中天然氣、蒸汽、氮(dàn)氣、氫氣、空氣等介(jie)質的流量計量。例(li)如：“西氣東輸”、“俄氣(qì)南下”等工程中需(xū)要用到大量的大(da)口徑渦街❗流垣計(ji)進行流量計量。
國(guo)内外對于渦街流(liú)量計的研究主要(yao)集中在中小口徑(jing),對于大口徑渦街(jie)流量計的研究很(hen)少。本課題的主🏃🏻♂️要(yào)來源是作者所在(zai)的課題組在現場(chǎng)調試傳統懸臂式(shi)渦街流量計時發(fa)現當管道口徑超(chao)過250mm時,提取到的渦(wo)街信号波形嚴重(zhòng)失真。對懸臂式渦(wo)街探進行改進,增(zēng)加探頭的插入深(shen)度,又極易引起共(gòng)振,帶來更大的幹(gan)擾信号因此,需要(yao)研究新的旋渦頻(pin)率檢測方案。
1渦街(jie)流量計工作原理(lǐ)
渦街流量計利用(yòng)流體振動原理進(jin)行流量測量,在特(tè)🛀定的流動條件下(xia),流體一部分動能(neng)轉化爲振動✔️,其振(zhen)動頻率與流速(流(liu)量🚶♀️)有确定的比例(li)關系。基本原理是(shì)_2]：在與被測介質流(liú)向垂直的方📞向放(fang)置一非流線型旋(xuán)渦發生體,當流體(tǐ)流過該旋渦發生(shēng)體時,在發生體阻(zǔ)擋面後方兩側交(jiao)替地分離釋放出(chū)兩🚩列規則的交錯(cuo)排列的旋渦,稱爲(wei)馮·卡爾曼渦💚街,如(rú)圖1所示。
旋渦脫(tuō)落頻率f與發生體(ti)兩側的平均流速(su)V之間存在如👌下關(guān)系式
式中,S爲斯特(te)勞哈爾系數；d爲發(fa)生體迎流面的寬(kuan)度,單化爲m。斯特勞(lao)哈爾系數在很寬(kuān)的一段雷諾數範(fàn)圍内可保持不變(biàn)。因此測得頻率就(jiu)能得到流速。
2大口(kou)徑管道渦街流場(chang)仿真
ANSYSWorkbench仿真協同平(píng)台是通過對産品(pǐn)研發流程葉1仿真(zhen)環境的🤩開發與實(shí)施,搭建一個集成(cheng)多學科異構CAE技術(shù)的仿♉真系統,使💯得(dé)整個建模、仿真、分(fèn)析、前後處理無縫(féng)鏈接。
FLUENT軟件運用CFD軟(ruan)件群的思想,具有(yǒu)許多優化的理模(mo)型。同時采♊用r多種(zhǒng)求解,『法和多重『舣(yǐ)1絡加速收斂技術(shù),以此來達到最佳(jiā)的♊收斂精度FLUENT可以(yi)很舭的州測到内(nèi)部流㊙️場的變化,通(tong)過仿真結🐕果來指(zhǐ)物理實驗、
2．1幾何模(mó)型的建與網格劃(hua)分
利用ANSYSWorkbench—Geometry和ANSYSWork—bench—Mesh作爲FLUENT的(de)前處理模塊,對所(suo)研究的流場進行(háng)幾⭐何建模和網格(ge)劃分。在Geometry中建立大(dà)口徑管道二維🤩幾(jǐ)何模型❌,如圖2和圖(tu)3所示。
旋渦産生(shēng)于發生體處,故将(jiāng)發生體處的網格(ge)細化,選用三角形(xing)網格,大小爲6mm。’爲節(jiē)省計算資源将前(qián)後兩部分的網格(gé)⛷️設置爲四邊形網(wang)格,大小爲24mm。整個網(wǎng)格劃分4所示。總網(wǎng)格數爲139194,網格質量(liàng)很好。
2．2FLUENT仿真參數的(de)設
将Mesh中劃分好的(de)網格文件導入FLUENT,進(jin)行計算設置FLUENT的仿(pang)真參數如下：
1)求解(jie)器(solution)：基于壓力的二(èr)維雙精度瞬态(Transient)求(qiú)解器。
2)流體：空氣,密(mi)度1．225kg/rn3,運動粘度1．7894xl0-5m2/s。
3)邊界(jie)條件(Boundarycondition)：人口,流速入(ru)口(veloci—ty—inlet),根據需要設置(zhi)不同的流速；出口(kou),壓力出口(pres—sure—outlet),零壓。
4)非(fei)穩态計算時間步(bu)長(timestepsize)：時間步長取決(jue)的網格大小ΔX與流(liú)速♋V。一般取時間步(bu)長T=ΔX/V,根據波形再作(zuò)适當的調整
5)湍流(liu)模型：RNGK—?模型。
6)監測點(diǎn)：監測參數爲渦街(jie)靜态壓力(Ve~exAverageStaticPressure),具體位(wei)置如圖5所💰示。差壓(ya)傳感器放置位置(zhì)爲将發生體的三(sān)角形邊三等分🏒。
2．3仿(páng)真數據記錄
将氣(qi)體流速分别設置(zhi)爲5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。運行100步之後,波(bo)形呈現周期性🌈。空(kōng)氣流量爲5m/s時渦街(jie)流場的靜壓、速度(du)參數的分布情況(kuang)如圖6所示🈲。對穩定(dìng)後的波形作傅裏(li)葉變換,如圖7所示(shì)。
表(biao)1～表5依次爲氣體流(liu)速爲5m/S、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s時不同取壓(yā)位置的信号記錄(lù)。
2.4數據分析
從表1～表(biǎo)5中我們可以看出(chū),當取壓位置位于(yu)發生體後時,同一(yī)流速下,壓力最大(da)的點位于發生體(ti)後1.5d處,即P3處；當取壓(ya)位置位于發生體(tǐ)處時,同一流速下(xia),壓🛀力變化不大,隻(zhi)有PD3明顯💯小于PD2和🐅PD1。爲(wei)了兼顧到渦街信(xin)号的穩定性,應盡(jìn)量💛将差壓傳感器(qi)安裝🥵在離發生體(tǐ)迎流遠的位置,因(yīn)此取PD2處。不同流速(su)㊙️下P3和PD2處的壓力對(duì)比,如圖8所示。
由圖(tú)8中曲線可知,PD2處的(de)壓力明顯大于P3處(chù),且其值越🐉爲4倍關(guan)系。
3試驗結論
大口(kǒu)徑渦街信号發生(sheng)體的尺寸通常很(hěn)大,所以其結🌈構爲(wèi)鋼闆拼接的中空(kong)結構。發生體的沿(yán)管道方向的長度(dù)較長,足以♈保證渦(wō)街信号穩定形成(chéng)。且由上面仿真的(de)結論可知💁PD2處的渦(wo)街信号強度爲P3處(chù)的4倍左右。因此,本(běn)文提💛出了如圖9所(suo)示的漩渦頻率檢(jian)測裝置。
進一步的(de)研究還需要制作(zuo)旋渦發生體實物(wu),在實🏒際的㊙️大❤️口徑(jing)管道上驗證方案(àn)的可行性,測試其(qí)抗振動性、重複性(xing)等。
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