摘(zhāi)要:通過FLUENT對典(diǎn)型的渦街流(liú)量計 在低溫(wen)流體中的卡(ka)門渦街流場(chǎng)特性進行理(li)論分析和數(shu)值仿💯真,并與(yǔ)常溫工況下(xia)的渦街流場(chang)進行比較⛱️,分(fen)析低溫流體(ti)的旋😄渦分離(lí)過程,得出流(liu)量與☂️渦街分(fen)離頻率的對(duì)應關系。研究(jiu)表明♉,數值仿(pang)真方法成本(ben)低,适于模拟(nǐ)複雜流場,爲(wèi)低溫渦街流(liú)量計♋在渦街(jiē)發生體形狀(zhuàng)和壓電振動(dòng)傳感器采樣(yang)位置的設計(ji)與優化💔提供(gong)理論依據。.
1引(yǐn)言
　　渦街流量(liang)計具有儀表(biao)系數穩定、瞬(shùn)時流量測量(liang)正确、量程範(fan)圍寬、壓力損(sǔn)失小、結構和(he)檢測方式組(zu)合多樣㊙️、便于(yú)安裝維護等(deng)諸多特點，在(zài)流量測量領(ling)域占有重要(yào)地位。常溫下(xià)的渦街流量(liang)計技術已經(jing)相👨‍❤️‍👨當成熟，至(zhi)💛今已發展爲(wei)多種旋👅渦發(fā)生體形式及(jí)不同檢測方(fāng)法，系列化的(de)産品應用于(yu)各🎯種工業領(ling)域。但用于低(dī)溫(特🏃‍♂️别是超(chāo)低溫,如液氫(qing)、液氧、液氮)流(liu)體測量的渦(wō)街流量計才(cái)剛剛起步，國(guo)外已在近期(qi)開展了研究(jiū),在國外航🏃‍♂️天(tiān)領域的低溫(wen)流體流量測(ce)量中使用效(xiào)果良好，并逐(zhú)步有産品推(tuī)向市場。目前(qián),中國國内少(shao)有低溫渦街(jiē)流量計的産(chǎn)品和文獻系(xì)統報導。
　　在超(chāo)低溫下，信号(hao)感測器靈敏(min)度下降,因此(cǐ)必須産生更(geng)加強烈穩定(dìng)的旋渦,才能(neng)提高信噪比(bi),滿足精度要(yào)求。此外，液氫(qīng)、液氧和🆚液氮(dàn)等低溫流體(tǐ)的物性極爲(wèi)特殊,其黏度(du)極低,極易産(chan)生空穴。衆所(suǒ)周知,旋渦發(fā)生體形狀和(he)檢測位置對(duì)渦街流量🥰計(jì)的測量質量(liang)影響很大，,但(dan)是受檢測條(tiáo)件和手段的(de)限制，難以對(duì)其影響進行(hang)有效評價。利(lì)用計算流體(ti)力學(CFD)數值仿(pang)真的方法模(mo)拟不同🏃‍♀️旋渦(wo)發生體渦街(jiē)流量傳感器(qì)内部流場,進(jin)而确定旋渦(wo)發生體形狀(zhuang)以及檢測點(diǎn)位置,對渦街(jiē)流量傳感器(qì)的優化具有(yǒu)重要的㊙️指導(dǎo)意義。本文根(gēn)❓據低溫流體(ti)(以液氮爲例(li))的物性參數(shù)和流體🔴力學(xué)理論,對低溫(wēn)渦街的流場(chǎng)進行理論計(ji)算和數值仿(páng)真,分析低溫(wēn)流體渦街的(de)産生過程,對(duì)比低溫渦街(jie)和常溫渦街(jie)流場分布的(de)異同,爲低溫(wēn)渦街流量計(ji)的設計和優(you)化提供理論(lun)依據。
2低溫渦(wō)街特性理論(lùn)分析
2.1渦街流(liú)量計的工作(zuo)原理
　　在流體(ti)中設置旋渦(wō)發生體,就會(hui)從旋渦發生(shēng)體兩.側交替(ti)地産生有規(guī)則的旋渦,這(zhè)種在旋渦發(fa)生體下遊非(fēi)對稱排列的(de)旋渦列即卡(ka)門渦街。根據(ju)卡門🏒渦街原(yuán)理,旋渦頻率(lü)ƒ有如下關系(xi)式:
 
　　式中:ƒ爲旋(xuán)渦頻率,Hz;Sr爲斯(sī)特勞哈爾數(shù),無量綱,與旋(xuán)渦發生📧體♋形(xíng)🈲狀及雷諾數(shù)Re有關,在Re=2×104-7x106範圍(wéi)内可視爲常(cháng)數，例如三角(jiǎo)柱發生體的(de)斯特勞哈爾(er)數爲Sr=0.16;V爲測量(liang)管内被測介(jiè)質的平均流(liú)速，m/s;m爲發生體(ti)兩側弓形流(liú)通面積之和(he)與測量管的(de)橫街面❓積之(zhī)比,計算如下(xia):
 
　　式中:D爲渦街(jie)流量計管道(dào)口徑,m;d爲旋渦(wō)發生體迎流(liu)面寬度,m,對于(yu)♋三角柱發生(sheng)體而言,d=0.28D。
　　渦街(jiē)流量計的儀(yi)表系數K:
 
　　式中(zhong):K爲渦街流量(liang)計儀表系數(shu),m-3;qv爲管道内被(bèi)測介質的體(ti)積流量🌈,m³/s。
　　可見(jian)儀表系數K與(yu)旋渦發生體(ti)、管道的幾何(he)尺寸及🥵斯特(te)勞📐哈爾數Sr有(yǒu)關。但在Sr可視(shì)爲常數的雷(lei)諾數範圍内(nèi),K就隻與旋渦(wo)發✏️生體形狀(zhuang)和管道幾何(he)尺寸有🐆關,因(yīn)此渦街流量(liang)計輸出的脈(mo)☎️沖頻率信号(hào)不受流🙇‍♀️體物(wù)性和組分變(biàn)化的影響，隻(zhi)🔴要正确測得(de)旋渦頻率ƒ,就(jiù)可正确得知(zhī)被測流體的(de)流速U和體積(ji)流量qv,給.信号(hao)的測量提供(gong)了依據。
2.2低溫(wen)渦街流量與(yu)頻率特性
　　圓(yuán)管傳輸流體(ti)的雷諾數Re爲(wèi):
 
　　式中:ν爲流體(ti)運動黏度,m/s。
　　渦(wō)街流量計測(cè)量液體的最(zui)低流速一般(bān)≥0.3m/s,最大流速應(yīng)≤7m/s。以🐕口徑100mm的渦(wō)街流量計爲(wei)例，在測量液(yè)氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其雷諾(nuò)數Re的上下限(xiàn)爲:1.53x105≤Re≤3.58x106，滿足斯特(tè)勞哈爾數Sr可(kě)視爲常數的(de)雷諾數範圍(wei)⭐。因此,渦街流(liú)量計的特性(xing)在原理上也(yě)可以适用于(yu)液氮的低溫(wēn)工🛀🏻況流量測(ce)量。
　　依據式(3)可(kě)以計算出口(kou)徑100mm的渦街流(liu)量計的儀表(biao)系數K=1123m-3.
3低溫渦(wo)街的流場仿(pang)真模型建立(li).
3.1FLUENT在渦街仿真(zhen)中的應用
　　計(ji)算機高性能(neng)運算的不斷(duàn)提高使計算(suan)流體力學(CFD)技(jì)術更加實用(yong),越來越完善(shan)的流體計算(suan)模型開始被(bei)商業化✔️的CFD軟(ruǎn)件所采用，如(ru)FLUENT集成了衆多(duo)湍流模型、LES模(mó)型JDES模📐型、化學(xué)反應模☔型、多(duō)相流模型🈲等(deng)研究成果🔆。近(jìn)年，在渦💞街流(liu)量計設計和(he)優化中,越來(lai)越多的采☎️用(yong)了FLUENT等CFD軟件進(jìn)行數值仿真(zhen),大大節省🥰了(le)開發成本🏃和(he)周期,并且對(duì)其内部流場(chǎng)有了更加深(shēn)刻和直觀的(de)理解。
　　通過兩(liǎng)維渦街流場(chǎng)的仿真,研究(jiu)了雷諾數和(he)剪切率對渦(wō)🈲結構的影響(xiang)。通過FLUENT對渦街(jie)流量計流場(chǎng)進行🚶‍♀️了數值(zhí)仿真,據此優(you)化設計渦街(jie)流量計結構(gòu)，選取取壓位(wei)置。研究旋渦(wō)發生體前後(hòu)壓差與流速(sù)之間的關系(xi)，提出了利用(yòng)單一差壓傳(chuan)感器測👨‍❤️‍👨量質(zhi)量流量的新(xīn)方法。通過FLUENT對(duì)梯形發生體(tǐ)與T形發生體(ti)的渦街流場(chǎng)進行模拟對(duì)比研究,并得(de)到了檢測點(dian)位置。以上研(yan)究者的工作(zuo)表明,利用FLUENT仿(pang)真能夠較真(zhēn)實的反映渦(wō)街流量計的(de)🈚内部流場特(te)性,在渦街流(liú)量計的開發(fa)過程中扮演(yan)越來越重要(yao)的角色。
3.2建模(mo)與網格劃分(fèn)
　　渦街流量計(jì)的二維仿真(zhen)結構模型如(rú)圖1所示,管道(dào)⛱️口徑⛱️爲D=100mm,三角(jiǎo)柱旋渦發生(sheng)體迎流面寬(kuān)度d=28mm,頂角θ=19°,符合(he)該管📱道口徑(jing)下的行業标(biao)準。渦街流量(liàng)計的網格劃(hua)分采用四邊(bian)形結構化網(wang)格,根♻️據區域(yu)的不規則程(cheng)度和流場的(de)複雜程度對(dui)不同🔴子區域(yù)進行分别劃(huà)🌈分。
 
3.3求解(jiě)條件設置
　　爲(wei)了能夠計算(suàn)得到流場的(de)正确解,必須(xū)給定合理🏃的(de)邊✉️界條件和(hé)流體物性,并(bing)選擇合适的(de)求解器和計(ji)算模型。渦街(jiē)流場爲非定(dìng)常流動，雷諾(nuo)數較高,對🔞渦(wo)街流場仿真(zhēn)的求解條件(jiàn)如表1設置🐪。
 
4仿(pang)真結果分析(xī)
4.1低溫渦街的(de)形成過程
　　圖(tu)2表示了一個(gè)旋渦形成周(zhou)期T内不同時(shi)刻的渦街二(er)維流⁉️場圖,直(zhí)觀反映了渦(wo)街的形成、脫(tuo)落過程。可以(yǐ)看到邊界層(céng)在渦街發生(shēng)體的兩側平(ping)行棱邊開始(shi)減速增壓運(yun)動,并伴有倒(dao)流現象。倒流(liu)沿着壁面向(xiang)後伸展⁉️使邊(bian)界層明顯增(zeng)厚,同時旋渦(wo)的尺寸不斷(duan)增大。當旋渦(wō)增加到一定(ding)程度後,就從(cong)發生體上脫(tuō)落分離，随着(zhe)⭐流體向下遊(you)運動,形成振(zhèn)蕩尾流。在旋(xuán)渦的中心形(xíng)成低壓區,會(huì)随着旋渦的(de)交替産生和(hé)脫落過程,在(zai)流場中形成(cheng)周期性變✊化(huà)的壓力場,壓(yā)力場的變化(huà)頻率與旋渦(wō)脫✨落頻率--緻(zhi)。壓電式渦🏃街(jie)流量計即是(shì)通🎯過檢測流(liú)場内振蕩尾(wěi)流中特定點(dian)處的壓力變(bian)化頻率來測(cè)定流速。
 
4.2低溫(wen)渦街仿真結(jie)果正确率驗(yàn)證
　　由于低溫(wēn)渦街試驗條(tiao)件受限,低溫(wēn)渦街仿真結(jie)果和🏒理論♻️計(ji)算☀️值與相同(tong)結構尺寸的(de)常溫渦街流(liu)量計在👣水介(jie)質中的校驗(yàn)數據進行比(bi)對。如圖3所示(shi),試驗與仿真(zhēn)曲線❓的線性(xing)🙇🏻度都很好，而(ér)且低溫介質(zhì)與常溫介質(zhì)的數據比較(jiao)一緻,驗證了(le)斯特勞哈爾(ěr)數St與儀表系(xì)數K不随介質(zhì)與溫度影響(xiang)的💞特性。分析(xi)結🌂果可知:渦(wo)街流量計儀(yi)表系數的試(shì)驗值與理論(lun)計㊙️算值之間(jiān)💔的相對誤差(cha)在3%之内;仿真(zhen)值與試驗值(zhí)之間的相對(duì)誤差在5%之内(nei),說明所采取(qu)的📞仿真方法(fa)比✍️較正确,驗(yàn)❤️證了FLUENT數值仿(pang)真技術❓用于(yu)低溫渦街流(liu)量計流場仿(pang)真的可行性(xing)。
 
4.3低溫渦街與(yu)常溫渦街的(de)流場分布對(duì)比
　　圖4比較了(le)低溫渦街與(yǔ)常溫渦街的(de)流場分布,由(you)于液氮的粘(zhan)度⛹🏻‍♀️比水低很(hen)多,流體内部(bu)的分子間引(yǐn)力和碰🚩撞較(jiao)弱，流✉️體間的(de)相對運動阻(zu)力較大，造成(cheng)低溫渦街的(de)流場🙇‍♀️中速度(dù)梯度較大,表(biao)現爲旋渦尺(chǐ)寸比常溫工(gōng)況下的旋渦(wo)小。因此，相比(bǐ)常溫下壓電(dian)傳感器的安(an)置📐位置而言(yán)，檢💛測振蕩尾(wěi)流中旋渦列(liè)的低溫渦街(jiē)的傳感器就(jiù)要更靠近渦(wo)街發生體🈲,這(zhe)在設計低溫(wen)渦街流量計(ji)時必須特殊(shu)✨考慮。
　　能量的(de)相對集中導(dǎo)緻了壓力梯(tī)度(主要爲動(dong)壓)也比較大(dà)。但🌈必須注意(yi)到，在旋渦發(fā)生體前後的(de)壓差使液體(tǐ)介質釋放出(chū)氣體✂️而在渦(wo)街發生體末(mo)端附💜近産.生(shēng)空穴,這在低(di)溫工況下尤(you)爲嚴重。因此(ci),必須在渦街(jie)流量計下遊(yóu)設置背壓以(yǐ)避免空化現(xian)象的影響。同(tong)時也🌈說明了(le)采用安置在(zài)渦街發生體(tǐ)上測㊙️量交變(bian)壓差或壓力(li)脈動的測量(liang)方法,并不适(shi)用于低溫工(gong)況♊下的渦街(jiē)信号檢測。
5結(jié)論
(1)通過對低(di)溫渦街流場(chang)的CFD仿真模拟(ni),圖示了低溫(wēn)渦㊙️街的🏒形成(chéng)和脫落過程(cheng),便于更好地(dì)分析和理解(jiě)渦🛀🏻街特性。
(2)分(fèn)析渦街流量(liang)計儀表系數(shu)的理論計算(suan)數據、試驗數(shu)👉據與仿真數(shù)據,驗證了将(jiang)FLUENT數值仿真技(jì)術用于渦街(jie)流📞量計内部(bu)流場分析💋的(de)有效性,可以(yǐ)作爲渦街流(liu)量計的優化(hua)🔆設計的理論(lun)指導依據。
(3)對(duì)低溫渦街和(hé)常溫渦街的(de)流場分布進(jìn)行對比,從低(dī)黏度流體介(jie)質物性的角(jiao)度解釋了低(dī)溫渦街流場(chang)的特殊性,并(bing)對低溫渦街(jie)壓電傳感器(qì)位置設置提(tí)出了有益建(jiàn)議。

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