摘要：目前對(duì)于渦街流量計(jì)漩渦發(fā)生體的位置研究?jī)H局限于二維的仿真研究，但實(shí)際流體撞擊漩渦發(fā)生體是流體三維模型。鑒于二維仿真并不能完全對(duì)實(shí)際流體撞擊漩渦發(fā)生體的流場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，采用數(shù)值仿真軟件平Ansys+Workbench+FLUENT，根據(jù)實(shí)際渦街發(fā)生體的機(jī)械尺寸建立相應(yīng)的三維仿真模型。并對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，再通過N—s方程進(jìn)行求解計(jì)算，通過仿真與在線實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證表明通過FIUENT軟件對(duì)實(shí)際渦街流場(chǎng)進(jìn)行仿真的可行性。最終利用FLUENT軟件，對(duì)不同流速，通過調(diào)整發(fā)生體平移的位置最終確定發(fā)生體位置對(duì)渦街信號(hào)的影響，從而確定發(fā)生體允許最大的平移位置占。
1引言
隨著渦街流量計(jì)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的使用量逐漸增大，各高校、研究所和流量計(jì)生產(chǎn)廠商的學(xué)者和研究人員也對(duì)此展開了各方面的研究，渦街流場(chǎng)的數(shù)值仿真的研究和實(shí)現(xiàn)也是其中一個(gè)重點(diǎn)]。
基于渦街流量計(jì)的測(cè)量原理渦街發(fā)生體的設(shè)計(jì)要求就尤為重要，而在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)當(dāng)中不能保證發(fā)生體的中心位置在管道的中軸線上，發(fā)生體與管道中軸線偏離多少會(huì)對(duì)最終的測(cè)量產(chǎn)生影響需要重復(fù)更換發(fā)生體，操作起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力。鑒于以上原因?qū)M(jìn)行對(duì)渦街發(fā)生體移動(dòng)位置進(jìn)行仿真研究，通過仿真結(jié)果來指導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步完善傳感器結(jié)構(gòu)。
2渦街流量計(jì)原理
渦街流量計(jì)利用流體振動(dòng)原理進(jìn)行流量測(cè)量，在特定的流動(dòng)條件下,流體-部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為振動(dòng),其振動(dòng)頻率與流速(流量)有確定的比例關(guān)系。1878年斯特勞哈爾(Strouhal)發(fā)表了關(guān)于流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)系的文章的。渦街流量計(jì)的基本原理是:在與被測(cè)介質(zhì)流向垂直的方向放置--個(gè)非流線型旋渦發(fā)生體，當(dāng)流體流過該旋渦發(fā)生體時(shí)，在發(fā)生體后方兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交錯(cuò)排列的旋渦，稱為馮.卡爾曼渦街們，如圖1所示。當(dāng)旋渦發(fā)生體右(或左)下方產(chǎn)生一個(gè)旋渦后，在旋渦發(fā)生體上產(chǎn)生一個(gè)升力。在旋渦發(fā)生體的后方安裝應(yīng)力式壓電傳感器，可以將作用在旋渦發(fā)生體上的升力轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)。該電荷信號(hào)的變化頻率與旋渦的脫離頻率一.致。通過檢測(cè)電荷信號(hào)的變化頻率，就可以得到旋渦的分離頻率口。
3渦街流場(chǎng)模型分析
雷諾時(shí)均方程的方法求解出來的是流動(dòng)變量的針對(duì)時(shí)間的平均值.無法給出流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，體現(xiàn)不出湍流流動(dòng)的瞬時(shí)性特點(diǎn)。大渦模擬(LargeEddySimulation,LES)是近代湍流研究中,用計(jì)算機(jī)直接求解N-S方程的一種方法,它從空間的角度對(duì)大渦進(jìn)行直接模擬，對(duì)小渦進(jìn)行模型化處理，從而使得網(wǎng)格要求比DNS低。其基本思想是;將流動(dòng)的區(qū)域分為兩個(gè)部分:一部分是可通過求解定常三維N-S方程獲得的大尺度渦旋流動(dòng)部分，另一部分是不需要直接計(jì)算可采用通用模型獲得的小尺度部分。
LES的控制方程是對(duì)N-S方程在波數(shù)空間或物理空間進(jìn)行過濾得到的。過濾的過程是去掉比過濾寬度或者給定物理寬度小的旋渦，從而得到大旋渦的控制方程。對(duì)于均勻湍流,常用卷積濾波定義變量的大尺度成分:
為了直觀得到渦街信號(hào)真實(shí)的流動(dòng)曲線及流場(chǎng)分布,本課題采用LES湍流模型來模擬渦街流場(chǎng)。在CFD-Post中.選用二階迎風(fēng)差分格式及SIMPLE算法”進(jìn)行仿真。如圖2為流體流經(jīng)三角柱發(fā)生體時(shí)的流線圖，可以從圖中清晰地看到旋渦的產(chǎn)生、脫落,以及渦街流量計(jì)的工作流場(chǎng)。
4三維渦街流場(chǎng)仿真
通過FLUENT軟件對(duì)實(shí)際管道中的流場(chǎng)進(jìn)行仿真,其中在使用FLUENT設(shè)置相關(guān)參數(shù)時(shí)是根據(jù)實(shí)際管道中發(fā)生體的尺寸進(jìn)行配置,圖3為實(shí)際管道中發(fā)生體在管道中平移后的三視圖。
發(fā)生體中心線平行于基準(zhǔn)軸線。這種情況下，會(huì)產(chǎn)生位置偏差，平移距離記作δ。如圖4所示。
在Geometry中建立發(fā)生體中心線平行于基準(zhǔn)軸線的三維幾何模型。如圖5所示。
可以從圖7中看出即使發(fā)生體位置與理想位置存在偏差，仍然會(huì)出現(xiàn)旋渦脫落現(xiàn)象。并且當(dāng)發(fā)生體上側(cè)的旋渦從產(chǎn)生到脫落時(shí).發(fā)生體下側(cè)在為旋渦的產(chǎn)生做準(zhǔn)備，而不會(huì)產(chǎn)生旋渦。同時(shí)當(dāng)上側(cè)旋渦離開發(fā)生體一段距離以后，下側(cè)才開始出現(xiàn)旋渦。
發(fā)生體在理想位置時(shí)產(chǎn)生的旋渦是交替排列的，而發(fā)生體在中心線發(fā)生平移的情況下，會(huì)根據(jù)δ的不同使得旋渦脫落后朝中心線相對(duì)基準(zhǔn)軸線平移的方向碰撞到管壁。針對(duì)此現(xiàn)象對(duì)低速(4m/s)、中速(40m/s)和高速(70m/s)流速下進(jìn)行仿真研究，并將數(shù)據(jù)記錄到表1中。
為了更為直觀地反映出圖8中不同流速下的旋渦信號(hào)強(qiáng)度隨平移位置的變化規(guī)律,現(xiàn)將表1中的旋渦信號(hào)強(qiáng)度用表2的偏移程度來表示。
將表2中的數(shù)據(jù)繪制成圖8。從圖中可以看出信號(hào)強(qiáng)度隨著偏移距離，流速的不同而不同。并且得出以下結(jié)論:無論是低速(4m/s).中速(40m/s)、還是高速(70m/s)流速下,隨著平移距離的增加，信號(hào)強(qiáng)度減弱,偏移程度增加。平移距離越小，偏移程度越小,隨著平移距離的增加，平移距離與偏移程度近似于平方關(guān)系。
通過觀察低速(4m/s)、中速(40m/s)和高速(70m/s)流速下渦街流場(chǎng)中旋渦的產(chǎn)生-脫落圖，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平移距離較小時(shí)，會(huì)在發(fā)生體尾部生成兩列規(guī)則排列的旋渦。繼續(xù)增加偏移距離，會(huì)出現(xiàn)旋渦發(fā)生體尾部產(chǎn)生交替排列的旋渦向發(fā)生體尾部產(chǎn)生的旋渦碰撞到管壁的過渡點(diǎn)。流速為4m/s時(shí)，過渡點(diǎn)在0.3d處;流速為40m/s和70m/s時(shí)，過渡點(diǎn)在0.4d處。也就是說，當(dāng)流速為4m/s,平移距離為0.3d、0.4d和0.5d時(shí)，發(fā)生體產(chǎn)生的旋渦會(huì)碰撞到管壁;當(dāng)流速為40m/s或70m/s,偏移距離為0.4d和0.5d時(shí)，發(fā)生體產(chǎn)生的旋渦會(huì)碰撞到管壁。
5仿真與實(shí)際流速對(duì)比
實(shí)驗(yàn)室使用50mm口徑液體流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)其中實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示,由于限制本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)低流速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比。
渦街流量計(jì)安裝在閥門的下游,由于閥門上游連接的，水箱在水泵不斷送水的狀態(tài)下一-直呈溢出狀態(tài)，因此可認(rèn)為上游水箱的液位是穩(wěn)定的。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)閥門的開度達(dá)到控制回路中流量大小，同時(shí)與仿真中的流速進(jìn)行對(duì)比，其中δ為發(fā)生體平移距離。
6結(jié)論
流場(chǎng)仿真在渦街流量計(jì)傳感器設(shè)計(jì)以及優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)變得越來越重要,它通過理論支持指導(dǎo)仿真的可實(shí)施性，并將仿真結(jié)論用于實(shí)驗(yàn)中,大大縮短了設(shè)計(jì)周期。
通過模擬三維渦街流場(chǎng)以及渦街流量計(jì)的漩渦發(fā)生體,通過改變發(fā)生體與管道基準(zhǔn)軸的距離從而得到不同的漩渦信號(hào),通過仿真與實(shí)際管道流體的實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出,在發(fā)生體中心線相對(duì)于基準(zhǔn)軸線發(fā)生平移的情況下，渦街流場(chǎng)的旋渦信號(hào)強(qiáng)度是流體流速和平移距離的共同作用結(jié)果,同時(shí)在發(fā)生體偏離中心軸在0.05d以內(nèi)則不影響渦街流量計(jì)的最終測(cè)量精度,這為實(shí)際設(shè)計(jì)發(fā)生體做出理論指導(dǎo)。
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