摘要(yao)：目前對于(yú)渦街流量(liang)計
漩渦發(fa)生體的位(wèi)置研究僅(jǐn)局限于二(èr)維的仿真(zhen)研究，但實(shi)際流體撞(zhuang)擊漩渦發(fā)生體是流(liu)體三維模(mó)型。鑒于二(er)維仿真并(bìng)不🏒能完全(quán)對實際流(liú)體撞擊漩(xuan)渦發生體(ti)的流場進(jìn)行驗☎️證，采(cai)用數值仿(páng)真軟件平(ping)Ansys+Workbench+FLUENT，根據實際(jì)渦街發生(sheng)體的機械(xiè)尺寸建立(li)相應的三(san)維仿真模(mó)型。并🌂對仿(páng)真模型進(jin)行網格細(xi)👉分，再通過(guo)N—s方♉程進行(hang)求解🏃計✨算(suan)，通過仿真(zhēn)與㊙️在線實(shí)驗對比驗(yàn)證表明通(tong)過FIUENT軟件對(dui)實際渦🤩街(jie)流場進行(háng)仿真的可(ke)行性。最終(zhōng)利用FLUENT軟件(jian)，對不同流(liu)速，通過調(diao)整發生體(ti)平移的位(wèi)置最終确(que)定發生體(tǐ)位置對渦(wō)街信号的(de)影響，從而(er)确定發生(shēng)體允許最(zui)大的平移(yí)位置占。
1引(yǐn)言
随着渦(wō)街流量計(ji)在國内各(gè)行各業的(de)使用量逐(zhú)漸增大，各(gè)⚽高💰校、研究(jiū)所和流量(liàng)計生産廠(chang)商的學者(zhe)和研究人(ren)員也對🙇♀️此(cǐ)展開了各(ge)方面的研(yan)究，渦街流(liu)場的數值(zhi)仿真的💔研(yán)究和實現(xian)也🚶是其中(zhōng)一個重點(dian)]。
基于渦街(jie)流量計的(de)測量原理(li)渦街發生(shēng)體的設計(ji)❌要求就尤(you)爲重要，而(ér)在實際設(shè)計生産當(dāng)中不能保(bao)證發🔴生體(ti)的中心位(wei)💋置在管道(dào)的中軸線(xian)上，發生體(tǐ)與管道中(zhōng)軸線偏離(li)多🧑🏾🤝🧑🏼少會對(dui)最終的測(ce)量産生影(ying)響需要重(zhòng)複更換發(fā)生體，操作(zuò)起來費時(shí)費力。鑒于(yú)以上原因(yin)對進行對(duì)渦街✨發生(shēng)體移動🐅位(wei)置進行仿(pang)真研究，通(tong)過✂️仿真結(jie)果來指導(dǎo)物理實驗(yàn)，并根據物(wu)理實驗結(jié)💯果進一步(bù)完善傳感(gan)器結構。
2渦(wo)街流量計(jì)原理
渦街(jie)流量計利(li)用流體振(zhèn)動原理進(jin)行流量測(ce)量，在🔞特定(ding)的流🚶♀️動條(tiáo)件下,流體(ti)-部分動能(néng)轉化爲振(zhen)動,其振動(dong)頻率與流(liu)速(流量)有(yǒu)确定的比(bǐ)例關系。1878年(nián)斯特勞哈(ha)爾🌐(Strouhal)發表了(le)關于流體(tǐ)振動頻率(lǜ)與🔞流速關(guan)系的文章(zhang)的。渦街流(liu)量計的基(jī)本原理是(shì):在與被測(ce)介質🤞流向(xiang)垂直的方(fang)向放置--個(ge)非流線型(xing)旋渦發生(shēng)體，當流體(ti)流過該㊙️旋(xuan)渦發生體(ti)時，在💘發生(shēng)體後方兩(liang)🔴側交替地(dì)分離釋放(fang)出兩列規(guī)則的交錯(cuo)排列的旋(xuan)渦，稱🛀爲🐆馮(féng).卡爾曼渦(wō)街們，如圖(tú)1所示。當旋(xuán)渦發生體(tǐ)右(或左)下(xià)方産生一(yī)個旋渦後(hou)，在旋渦發(fa)生體上産(chan)生一個升(shēng)力。在旋渦(wo)發生體的(de)後方安裝(zhuāng)應力式壓(yā)電傳感器(qi)，可以将作(zuo)用在旋渦(wō)發生體上(shang)的升力轉(zhuan)換爲🐇電荷(hé)信号。該電(dian)荷信号的(de)變化⛷️頻率(lǜ)與旋渦的(de)脫離頻率(lü)一.緻。通過(guo)檢測電荷(hé)信号的變(bian)化🤞頻☁️率，就(jiù)可以得到(dào)旋渦的分(fen)離頻率口(kǒu)。
3渦街(jie)流場模型(xíng)分析
雷諾(nuò)時均方程(cheng)的方法求(qiu)解出來的(de)是流動變(biàn)量的針對(dui)時間的📞平(ping)均值.無法(fǎ)給出流場(chǎng)結構的詳(xiang)細信息，體(ti)現不出湍(tuan)流流💔動的(de)瞬時性特(te)點。大渦模(mo)拟(LargeEddySimulation,LES)是近代(dài)湍流研究(jiū)中,用計算(suàn)機直接求(qiú)解N-S方程的(de)一種方法(fǎ),它從空間(jian)的角度對(duì)大渦💜進行(hang)直接模拟(ni)，對小渦進(jin)行模型💜化(hua)處理，從而(ér)使得網格(gé)要🍉求比DNS低(dī)。其基本思(sī)想是;将流(liu)💘動的區域(yu)分爲兩個(gè)部分:一部(bù)分是可通(tōng)過求解定(ding)常三維N-S方(fāng)程獲得的(de)大尺度渦(wo)旋流動✍️部(bù)分，另一部(bu)分是🚶不需(xū)要直接計(ji)算可采用(yong)通用模型(xing)獲得🤞的小(xiao)尺度部分(fen)。
LES的控制方(fāng)程是對N-S方(fāng)程在波數(shù)空間或物(wu)理空間進(jin)行👣過濾得(de)🔞到的。過濾(lǜ)的過程是(shi)去掉比過(guò)濾寬度或(huo)者給定物(wu)💚理寬度小(xiǎo)☂️的旋渦，從(cóng)而得到大(dà)旋渦的控(kòng)☎️制方程⛹🏻♀️。對(duì)于均勻湍(tuan)流,常用卷(juan)積濾波⛹🏻♀️定(dìng)義變量的(de)大尺度成(cheng)分:
爲了直(zhi)觀得到渦(wō)街信号真(zhen)實的流動(dong)曲線及流(liú)場分布㊙️,本(běn)課題采用(yòng)LES湍流模型(xing)來模拟渦(wo)街流場。在(zài)CFD-Post中.選用二(er)階迎風差(chà)分格式及(ji)SIMPLE算法”進行(háng)仿真。如圖(tu)2爲流體流(liú)經三角柱(zhù)發生☂️體時(shí)的流線圖(tu)🛀🏻，可以從圖(tú)中清晰地(di)看到旋渦(wo)的📱産生、脫(tuo)落♉,以及渦(wō)街流量計(jì)的工作流(liú)場。
4三維渦(wo)街流場仿(páng)真
通過FLUENT軟(ruǎn)件對實際(jì)管道中的(de)流場進行(háng)仿真,其中(zhōng)在使用FLUENT設(shè)🌈置相關參(can)數時是根(gen)據實際管(guan)道中發生(shēng)體的尺🔴寸(cùn)進行配置(zhì),圖3爲實際(jì)管道中發(fā)生體在管(guan)道中平移(yi)後的三視(shì)圖。
發(fa)生體中心(xin)線平行于(yu)基準軸線(xian)。這種情況(kuang)下，會産生(sheng)位置偏差(cha)，平移距離(lí)記作δ。如圖(tu)4所示。
在Geometry中(zhong)建立發生(sheng)體中心線(xiàn)平行于基(jī)準軸線的(de)三維♻️幾🔴何(hé)模型。如圖(tu)5所示。
可以(yǐ)從圖7中看(kan)出即使發(fa)生體位置(zhì)與理想位(wei)置存在偏(pian)差🌍，仍然😍會(huì)出現旋渦(wo)脫落現象(xiang)。并且當發(fā)生體上側(ce)的旋渦從(cong)産生到脫(tuo)🈚落時.發生(shēng)體下側在(zài)爲旋渦的(de)産生做準(zhǔn)備，而不會(huì)産生旋渦(wō)。同時當上(shang)側旋♋渦離(lí)開發🚶生體(ti)一段距離(li)以後🌈，下側(cè)才開始出(chū)現旋渦。
發(fa)生體在理(li)想位置時(shi)産生的旋(xuán)渦是交替(tì)排列的，而(er)發💯生體在(zài)中心線發(fā)生平移的(de)情況下，會(hui)根據δ的不(bú)同使得旋(xuán)渦脫落後(hou)朝中心線(xian)相對基準(zhǔn)軸線平移(yi)的方向碰(peng)撞🆚到管壁(bi)。針對此現(xian)象對🍓低速(su)(4m/s)、中速(40m/s)和高(gāo)速(70m/s)流速下(xià)進行仿真(zhen)研究，并🙇♀️将(jiang)數據記🎯錄(lù)到表1中。
爲(wei)了更爲直(zhi)觀地反映(ying)出圖8中不(bú)同流速下(xia)的旋渦信(xin)号強㊙️度随(sui)平移位置(zhi)的變化規(gui)律,現将表(biao)1中的旋渦(wō)信号強🌈度(dù)用表2的偏(piān)移程度來(lai)表示。
将(jiang)表2中的數(shù)據繪制成(cheng)圖8。從圖中(zhōng)可以看出(chū)信号強度(dù)随着偏移(yi)距離，流速(sù)的不同而(ér)不同。并且(qie)得出以下(xià)結論:無🈲論(lùn)是🔞低速(4m/s).中(zhong)速🧑🏽🤝🧑🏻(40m/s)、還是高(gāo)速(70m/s)流速下(xià),随着平🔴移(yi)距離的增(zeng)加🔅，信号強(qiang)度減弱☔,偏(pian)移程度增(zeng)加。平移距(ju)離越小，偏(piān)移程度越(yue)小,随着平(píng)移距離的(de)增加，平移(yi)距離與偏(pian)移程度近(jìn)似于平方(fāng)關系。
通過(guò)觀察低速(sù)(4m/s)、中速(40m/s)和高(gao)速(70m/s)流速下(xia)渦街流場(chǎng)中旋渦的(de)産生㊙️-脫落(luò)圖，可以發(fa)現，當平移(yí)距離較小(xiǎo)時，會在發(fā)生體尾部(bù)🌈生成兩列(lie)規則排列(liè)的旋渦。繼(jì)續增加偏(piān)移距離，會(hui)👣出現旋✉️渦(wō)發生體尾(wei)部産生交(jiao)替排👉列的(de)旋渦⛱️向發(fa)生體尾部(bù)産生的旋(xuán)渦碰撞到(dào)管壁㊙️的過(guò)渡點。流速(su)爲4m/s時，過渡(du)點在0.3d處;流(liu)速🐇爲40m/s和70m/s時(shi)，過渡點在(zài)0.4d處。也就是(shì)說，當流速(su)爲4m/s,平⭐移距(ju)離爲0.3d、0.4d和0.5d時(shí)，發生體産(chǎn)生的🔞旋渦(wō)會碰撞到(dào)管壁;當流(liú)🛀🏻速爲40m/s或70m/s,偏(pian)移距離爲(wèi)0.4d和0.5d時，發生(sheng)體産生的(de)旋渦會碰(pèng)撞到管壁(bi)。
5仿真與實(shí)際流速對(dui)比
實驗室(shi)使用50mm口徑(jìng)液體流場(chang)進行實驗(yàn)其中實驗(yan)裝置如圖(tú)9所示,由于(yú)限制本實(shi)驗主要針(zhēn)對低流速(su)下進行👄實(shi)驗仿真對(dui)比。
渦街流(liú)量計安裝(zhuang)在閥門的(de)下遊,由于(yú)閥門上遊(you)連接的，水(shui)箱在✔️水泵(bèng)不斷送水(shui)的狀态下(xià)一-直呈溢(yì)出狀态，因(yīn)此可認爲(wèi)上❌遊水箱(xiang)的液位是(shi)穩定的。實(shi)驗中通過(guò)調節閥門(men)的開度達(da)到控制回(hui)路中流量(liàng)大👈小，同時(shi)與仿真中(zhōng)的流速進(jìn)行對比，其(qí)中δ爲發生(sheng)體平移距(ju)離。
6結論
流(liú)場仿真在(zài)渦街流量(liang)計傳感器(qi)設計以及(ji)優化傳感(gǎn)器🈲設計變(biàn)㊙️得越來越(yue)重要,它通(tōng)過理論支(zhi)持指導仿(páng)真的可實(shí)施性，并将(jiāng)仿真結論(lun)用于實驗(yàn)中,大大📞縮(suō)短了設計(ji)周期。
通過(guò)模拟三維(wéi)渦街流場(chang)以及渦街(jie)流量計的(de)漩渦發生(sheng)體,通過改(gǎi)變發生體(ti)與管道基(ji)準軸的距(jù)離從而得(de)到不同的(de)漩渦信号(hao),通過仿真(zhēn)與實際管(guǎn)道流體的(de)實驗對比(bi)🔞可以看出(chū),在發♍生體(ti)中心線相(xiang)對于💃基準(zhǔn)軸線發生(sheng)平移的情(qíng)況下💚，渦街(jie)流場的旋(xuán)渦信☎️号強(qiáng)度是流體(tǐ)流速和平(ping)移距離的(de)共同作用(yong)結果,同時(shi)在發生體(tǐ)偏離中心(xin)軸在0.05d以内(nèi)則不影響(xiǎng)渦街流量(liang)計的最終(zhōng)測量精度(du),這爲實際(ji)設計發生(shēng)體做出❌理(li)論指導。
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