蒸汽作爲(wei)一種重要的(de)二次清潔能(néng)源，在電廠、石(shi)油化工🌂、食品(pin)、機械加工等(děng)工業生産領(lǐng)域和人民的(de)日常生活中(zhong)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(kong)闆、噴嘴以及(jí)渦街流量計(ji)等多種類型(xing)的蒸汽儀表(biao)，而在衆多類(lèi)型蒸汽儀表(biao)中，渦街流量(liàng)計以其結構(gòu)簡單、測量範(fàn)圍寬、壓損小(xiao)、測量時無可(ke)動件等優點(dian)在蒸汽計量(liàng)中得到快速(su)的推廣和使(shi)用。
1 渦街流量(liang)計
　　渦街流量(liang)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(dang)式流量測量(liàng)儀表。所謂 “卡(ka)門渦街”現象(xiang)就是☂️在測⭕量(liang)管❤️道流動的(de)流體中插入(rù)一根 ( 或多❄️根(gen)) 迎流面爲非(fei)流線型的旋(xuán)渦發生體，當(dāng)雷💞諾數達到(dao)🧡一定值時🤩，從(cóng)旋渦發生體(ti)下遊兩側交(jiao)替地分離釋(shì)放出兩串規(gui)則的交錯排(pai)列的旋渦，這(zhè)種☔旋渦稱爲(wei)卡門㊙️渦街。在(zai)一定雷🆚諾數(shù)範圍内，旋渦(wō)的分離頻率(lǜ)與旋渦發生(sheng)體的幾何尺(chǐ)寸、管道的幾(jǐ)何⭕尺寸有關(guān)，旋渦的頻率(lü)正比于管道(dào)流體流量，并(bìng)可由各種型(xing)式的傳感器(qì)檢出，渦街流(liu)量計工作♋原(yuan)理如圖 1 所示(shì)。

卡門渦街頻(pin)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(sheng)體兩側弓形(xíng)面積與管道(dào)橫截面面積(jī)之比，不可壓(ya)縮流體中，由(yóu)❤️于流體密度(du) ρ 不變，由連續(xù)性方程可得(de)到🔴 m = U/U1。

　　不同介質(zhì)對渦街流量(liàng)計性能的影(yǐng)響最終體現(xian)在儀表系數(shù)的差異上，所(suo)以本文使用(yong) Fluent 軟件建立渦(wo)街流量計的(de)幾何🐉模型🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，然(ran)後對不同介(jie)質下的流場(chǎng)進行仿真分(fen)析，并仿真得(de)到不同介質(zhi)下的儀表系(xì)數，最終通過(guo)🚶‍♀️實驗驗證🥰得(dé)到空氣和水(shuǐ)作爲☁️替代介(jie)質導緻的與(yu)蒸汽實流标(biāo)定得到的儀(yí)表系的差異(yì)。
2 仿真模型與(yu)條件的設定(dìng)
2. 1 仿真模型
　　選(xuan)擇 DN100 口徑的渦(wo)街流量計進(jin)行研究，利用(yòng) Gambit 軟件建立渦(wo)街🐅流量計幾(ji)何模型并劃(huà)分網格，渦街(jie)流量計發生(shēng)體橫截面網(wang)格如圖 2 所示(shi)。

　　爲(wei)了提高計算(suàn)效率，渦街發(fa)生體處重點(diǎn)加密，其他區(qu)域适當的稀(xī)疏。從圖 2 可以(yi)看出，渦街發(fā)生體所處流(liú)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(wang)格較密，遠離(lí)渦街發生🛀🏻體(tǐ)而靠近管壁(bi)的網格較稀(xi)疏。
2. 2 仿真條件(jian)設定
　　仿真選(xuan)擇三種流體(ti)材質，分别爲(wèi)空氣和蒸汽(qi)兩種可壓縮(suo)流體以及不(bu)可壓縮的水(shui)，在 Fluent 中空氣和(hé)蒸汽材質🍓通(tōng)過設定氣體(ti)的密🌈度選項(xiang)來實現。對于(yu)不可壓縮流(liu)體選擇的密(mi)度🚶‍♀️爲常數; 空(kōng)氣介質選擇(ze)默認密度 1. 225 kg/m3，其(qi)密🏃🏻度設定爲(wèi)理想氣體，在(zai)叠代計算的(de)過程中，根據(ju)氣體狀态方(fang)程壓強的變(biàn)化修正流體(tǐ)的密😄度; 蒸汽(qi)介質的密度(dù)根據IF － 97 公式，利(lì)用 UDF 編程設置(zhì)。
仿真模型選(xuan)擇 ＲNG k － ε 雙方程湍(tuan)流模型，該模(mó)型可以很好(hao)地處理高👌應(yīng)變率以及流(liú)線彎曲程度(du)較大的流體(tǐ)流動🌈，非常适(shi)合具有旋渦(wo)脫落現象的(de)渦街流場仿(páng)真［8］。
3 流場仿真(zhēn)分析
　　根據公(gong)式 ( 1) 可知，影響(xiang)渦街流量計(ji)旋渦頻率的(de)是發生💰體🤞兩(liang)側的流速 U1和(he)發生體的結(jié)構，由于發生(sheng)體結構尺寸(cun)是固定的，因(yīn)此頻率隻與(yu) U1相關，需要觀(guan)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(du)的變化必然(ran)會導緻流✌️體(tǐ)密度的變化(hua)，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(su) U1的影響，通過(guò)仿真得到如(rú)圖 3 ( a) 所示的不(bú)可壓縮流體(tǐ)發生體兩側(cè)的密度雲圖(tu)和如圖 3 ( b) 所示(shi)的可壓縮流(liu)體發生體兩(liǎng)側的密度雲(yún)圖。

　　由圖 3 可以(yǐ)看出，不可壓(yā)縮流體的密(mi)度在仿真過(guo)程中沒有發(fa)生💞變化，可壓(yā)縮流體的密(mì)度發生了變(biàn)化，必然會導(dao)緻兩側速度(dù) U1的變化。可壓(yā)縮流體經過(guo)發生體後密(mi)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(liu)量計進行蒸(zheng)汽、空氣和水(shuǐ)三種介質下(xià)的軟件仿真(zhen)，設置三種介(jie)質的入口流(liu)速均爲 50 m/s，取🌈渦(wo)街發生體迎(ying)流面側棱中(zhōng)點與管壁連(lián)線，如圖 2 中線(xiàn)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(rú)圖 4所示。

　　從圖(tu) 4 中可以看出(chū)，在靠近渦街(jie)發生體的位(wèi)置，可壓縮流(liú)體💜流速明顯(xian)大于不可壓(yā)縮流體流速(sù)，且空氣的流(liu)速要大于蒸(zheng)汽介質的流(liu)速。因此空氣(qi)介質受氣體(ti)可壓縮性的(de)影響較大。
　　渦(wō)街流量計的(de)計量性能最(zuì)終反映到儀(yi)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(dà)小👅，圖 5 爲仿真(zhen)得到的渦街(jie)流量計渦流(liu)流場靜壓雲(yún)圖。從圖中可(ke)以看出兩個(gè)明顯的脫落(luò)旋渦。圖中 A 區(qu)域靜壓大，B 區(qū)域靜壓小。靜(jing)壓最小的位(wèi)置是 C 處，也💃🏻就(jiu)是脫落旋渦(wō)的渦心位置(zhi)。檢測渦街發(fa)生體下遊 1D 處(chù)的靜壓變化(hua)得到如圖 6 所(suo)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(biàn)換，得到如圖(tú)🚩 7 所⁉️示的❤️三🈚種(zhǒng)介質下的旋(xuán)渦脫落頻率(lü)圖。
通過讀取(qu)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(zhì)的旋渦脫落(luo)頻率爲1 595 Hz，蒸汽(qi)介質的💛旋渦(wō)脫落頻率爲(wei) 1 579 Hz，水介質的旋(xuán)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(zhí)徑🈲相同入口(kǒu)速度的情況(kuang)下在水介質(zhì)中得到的儀(yi)表系數最小(xiao)、蒸汽次之、空(kong)🏃🏻‍♂️氣最大。說明(míng)空氣受氣體(tǐ)介質的可壓(ya)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(dào)的結論，利用(yong)負壓法音速(sù)噴嘴氣💃🏻體流(liu)量計量标準(zhun)裝置、蒸汽實(shi)流計量标準(zhun)裝置和水流(liú)量計量标準(zhun)裝置對該結(jié)構類型的渦(wō)街👈流量計進(jìn)行三種介質(zhi)的實驗研究(jiū)，各🏃‍♀️測試條件(jiàn)參數如表 1 所(suǒ)示。

在上述實(shi)驗條件下得(dé)到三種标準(zhǔn)計量裝置的(de)儀表系👣數，實(shí)驗結果如圖(tu) 8 所示。

　　由圖(tu) 8 可看出，在實(shí)驗過程中，空(kong)氣與水的儀(yi)表系數與仿(pang)🔞真分🈲析基本(ben)相符，但蒸汽(qì)介質的儀表(biǎo)系數要小，這(zhe)主要是因爲(wei)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(biao)系數的改變(biàn)。
根據經驗公(gong)式 ( 4) :

　　由公式 ( 4) 可(ke)以知道随着(zhe)溫度的升高(gao)，儀表系數會(huì)減小，因♈此🐪就(jiu)出現了圖 8 所(suo)示實驗數據(ju)與圖 7 仿真頻(pin)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(jiē)流量計在不(bú)同介質下的(de)流場⭕仿真，根(gēn)據卡門渦街(jiē)的産生機理(li)，對比分析了(le)空氣、蒸汽和(he)水三種不同(tong)介🤟質條件下(xia)的流場，仿真(zhen)結果表明🌈随(sui)着可壓縮性(xìng)的增強💛，渦街(jiē)流量計的儀(yí)表系數随之(zhī)變大，因此🐆在(zai)渦街流量計(ji)的首㊙️次或者(zhe)後續檢定中(zhong)盡量采用與(yu)工況相同的(de)介質進行标(biāo)定。

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