摘要：對于(yu)渦街流量(liang)計 的旋渦(wō)發生體的(de)仿真研究(jiu)主要集中(zhōng)在形狀和(hé)尺♉寸上，但(dàn)在現🚩場複(fú)雜工況環(huan)境的情況(kuàng)下，發生體(ti)的位置并(bing)不是固定(ding)不變的，會(hui)存在安裝(zhuāng)偏差。爲了(le)很好的分(fen)析發生體(ti)安裝偏差(cha)帶來的信(xin)号強度發(fā)生變化的(de)問♈題，确定(ding)不影響信(xìn)号強度的(de)最大偏差(cha)角度，采用(yòng)三角柱型(xíng)發生體，在(zai)Ansys+Workbench＋FLUENT數值仿真(zhēn)軟件平台(tai)環😘境下，根(gen)據渦👌街流(liu)量計的實(shí)際物理結(jie)構尺寸建(jiàn)立仿真模(mo)型，并對其(qi)💚進行網格(ge)劃分、求🔞解(jiě)，将仿真得(dé)到的升、阻(zǔ)力頻率相(xiang)比較，得出(chū)阻力頻率(lü)正好是升(shēng)力頻率的(de)2倍👣，表明可(kě)以利用FLUENT軟(ruan)件對渦街(jie)流量計進(jin)行🈲三維流(liú)場數值仿(páng)真。最後🙇‍♀️利(li)用FLUENT軟件，通(tōng)過改變管(guǎn)截面與截(jie)流面的夾(jiá)角，在低、中(zhōng)㊙️、高速流速(su)下，對其進(jin)行取壓，将(jiāng)得到的信(xin)号強度和(he)頻譜分布(bù)進行比較(jiào)分析，得出(chu)夾角與信(xìn)号強度的(de)關系：夾角(jiao)在1°～7°範圍，對(dui)信🤞号強度(dù)的影響不(bú)大，超過7°以(yǐ)後影響變(bian)大。
1引言
　　随(suí)着計算機(ji)技術、數值(zhí)計算技術(shù)的發展，現(xiàn)代模拟仿(páng)🐆真📞技✂️術計(ji)算流體力(lì)學（cmputational fluid dynamics,CFD）也随之(zhi)而生［1］。它是(shi)對純理論(lùn)和純實驗(yan)方法很好(hǎo)的促進和(he)補充。ＣＦＤ作爲(wei)一門新興(xìng)學科，它力(lì)求👈通過數(shù)值實驗☎️替(ti)代實物實(shi)驗，采用虛(xu)拟流場來(lái)模拟真👣實(shí)流場内部(bu)的流體流(liu)動情況，從(cong)而使得實(shi)驗研究更(gèng)加✌️方便，研(yán)究場景更(gèng)加豐富🈲可(kě)編程［2－5］。
　　FLUENT軟件(jiàn)提供了多(duo)種基于非(fei)結構化網(wǎng)格的複雜(zá)物理模型(xíng)，并針✨對不(bú)同物理問(wèn)題的流動(dòng)特點創建(jian)出不同的(de)⛹🏻‍♀️數值解法(fa)［6］。用戶可根(gēn)據實際需(xū)求自由選(xuan)擇，以便在(zài)計💜算速度(dù)、穩定性和(he)精度等方(fang)面達到好(hao)的，提高設(shè)計效率。
　　關(guān)于渦街流(liú)量計的發(fa)生體數值(zhi)模拟研究(jiu)，主要集中(zhōng)在✨渦街發(fa)生體形狀(zhuang)和尺寸上(shàng)［7－10］。Ｙａｍａｓａｋｉ指出發生(shēng)體的形狀(zhuang)與幾何參(can)數和渦街(jiē)流量計的(de)流量特性(xìng)（儀表系數(shù)、線性度、重(zhòng)複性、測量(liàng)範圍）與阻(zǔ)力特性存(cún)在相當大(da)的關聯關(guān)系。Ｓ．Ｃ．Ｌｕｏ等人🈲研(yán)究旋渦發(fā)生體尾緣(yuan)形狀以及(ji)迎流角度(dù)對渦街性(xìng)能的影響(xiǎng)，在風洞和(he)水槽實驗(yan)中，得出在(zài)全長相等(deng)的情況下(xia)，旋渦強度(dù)随尾緣夾(jiá)角的增⛹🏻‍♀️大(dà)而減✨小。彭(peng)傑綱等人(rén)在50mm口徑管(guǎn)道氣流量(liàng)實驗中，通(tōng)過對不⭐同(tong)尾緣夾角(jiǎo)角度的旋(xuán)渦發生體(tǐ)進行實驗(yan)研究，得出(chū)旋渦發生(shēng)體尾緣的(de)夾角爲41．8°時(shi)具有很好(hǎo)的線🆚性度(dù)。賈雲飛等(děng)人通過對(duì)二維渦☂️街(jie)流場中的(de)壓力場進(jìn)行數值仿(páng)真研究，得(de)出Ｔ形發☀️生(shēng)體産生的(de)旋渦信号(hao)的強度✨要(yao)優于三角(jiǎo)柱發生體(tǐ)。
　　渦街流量(liàng)計利用流(liu)體振動原(yuan)理進行流(liú)量測量［11］。選(xuan)取了應⛹🏻‍♀️力(lì)式渦街流(liu)量計進行(háng)研究。它通(tōng)過壓電檢(jiǎn)測元💯件獲(huò)取電壓頻(pin)率，再根據(ju)流體流量(liang)與渦街頻(pin)率成正比(bǐ)得出被測(ce)流量。在過(guò)去的渦街(jie)流量計研(yán)究中，一直(zhi)将研究重(zhong)點放在真(zhen)實流場實(shi)驗中，但這(zhè)需要重複(fú)更換口徑(jing)、調節流量(liang)，大大降低(dī)了工作效(xiao)💰率。爲解決(jué)此問題，采(cai)用三維渦(wo)街流場數(shu)值分析的(de)方法對内(nei)部流場的(de)變化⛷️進行(háng)研究。
　　通過(guò)FLUENT軟件對三(sān)維渦街流(liu)場進行數(shu)值仿真，并(bing)将不同🤟流(liú)速下🌈的升(shēng)、阻力系數(shu)進行比較(jiào)，驗證數值(zhí)仿真可行(hang)性。并通過(guò)🏃‍♂️改變管截(jié)🈲面與截流(liu)面之間的(de)夾角，在低(di)、中✂️、高速流(liú)速下，進行(háng)取壓，最終(zhōng)得出随着(zhe)夾角🌈的不(bú)同，信🚩号強(qiáng)度不同。夾(jiá)角在1°～7°範圍(wei)，對信号強(qiang)度的衰減(jian)影響不大(dà)，超過7°以後(hou)對信号強(qiang)度影響變(biàn)大，并随着(zhe)流速的增(zēng)加，趨勢越(yuè)來越強。
2升(shēng)、阻力系數(shu)
　　旋渦脫落(luo)時，流體施(shī)加給柱體(tǐ)一個垂直(zhí)于主流的(de)周🤟期性交(jiāo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼變❗作用力(lì)，稱爲升力(lì)［12］。由于柱體(ti)兩側交替(tì)的釋放旋(xuan)渦時，剛釋(shì)放完㊙️渦流(liú)的一側柱(zhù)面，擾流改(gǎi)善，側面總(zǒng)壓力♉降低(dī)；将要釋放(fang)渦流的另(lìng)一側柱面(mian)，擾流較差(chà)，側面總壓(yā)力較大，從(cóng)而形成一(yi)個作用在(zai)三角柱上(shang)、方向總是(shi)指向剛釋(shi)放完渦🔴流(liu)那一側的(de)作用力，所(suǒ)以升力的(de)交變頻率(lü)和旋渦的(de)脫落🥰頻率(lǜ)一緻，升力(li)的變化規(guī)律和旋渦(wō)的變化規(guī)律一緻，因(yin)而通過監(jiān)視柱面上(shang)🈚的升力變(biàn)化規律✂️，可(ke)以反映旋(xuan)渦脫落規(gui)律。阻力系(xì)數反映的(de)是柱體迎(ying)流方向上(shang)的作用力(li)變化情況(kuàng)，每當🌍柱體(ti)兩側不管(guǎn)哪一邊的(de)釋放旋渦(wō)一次，迎流(liu)方向上的(de)作用力都(dou)會随壓力(lì)‼️變化有規(guī)律地變化(hua)一次，因此(cǐ)，升力系數(shù)變化的一(yī)⛱️個周期内(nèi)♊，阻力系數(shù)變化爲兩(liang)個周期。
3三(san)維渦街流(liu)場模拟的(de)可行性分(fen)析
3．1幾何建(jian)模與網格(ge)劃分
　　圖1是(shi)在ANSYS Workbench中建立(li)的三維渦(wo)街流量計(jì)幾何模型(xíng)。其中管道(dào)口徑50mm，管道(dào)長1000mm，旋渦發(fa)生體截流(liu)面寬度14mm，管(guǎn)截面與截(jié)流面夾角(jiao)爲α。

對幾何(hé)模型進行(háng)非結構網(wǎng)格劃分，作(zuo)爲數值模(mó)拟💔的載體(tǐ)，如圖2所示(shì)。

3．2仿真參數(shu)設置
在FLUENT中(zhong)，三維渦街(jie)流場參數(shù)設置如下(xià)：
1）流體：空氣(qi)（ａｉｒ）；
2）湍流模型(xing)：Renormalization-group(RNG)ｋ－ε模型；
3）邊界(jiè)條件
①流速(su)入口邊界(jiè)：根據需要(yao)設置不同(tóng)流速、湍流(liu)動能和耗(hao)散率；
②壓力(li)出口邊界(jiè)：零壓；
4）求解(jiě)器：基于壓(yā)力的三維(wéi)雙精度瞬(shùn)态求解器(qì)；
5）數值計算(suan)過程：SIMPLE算法(fǎ)。
3．3升、阻力變(biàn)化頻率的(de)計算結果(guǒ)及分析
圖(tu)3所示速度(du)等值。三維(wei)渦街流場(chǎng)在夾角爲(wei)0°，入口流速(su)爲5m/s的情況(kuang)下的速度(du)等值線圖(tu)。

　　通過仿真(zhen)模拟，圖4給(gěi)出流速ｕ＝5m/s時(shí)，作用在三(sān)角柱上的(de)升力系數(shu)和阻力系(xi)數變化曲(qu)線。由圖5升(shēng)力系數的(de)ＦＦＴ曲線可以(yǐ)看出其頻(pín)率爲ＦＬ＝87．92Ｈｚ。從圖(tu)6阻力系數(shu)的ＦＦＴ曲線可(kě)🏃🏻以看出其(qí)頻率🥰爲ＦＤ＝176．43Ｈｚ，約(yuē)爲升力系(xi)數變化頻(pín)率的2倍。



　　爲(wei)了驗證将(jiang)FLUENT用于渦街(jie)流量計的(de)三維流場(chang)仿真的✌️可(ke)行性，對不(bu)同流速下(xià)的升、阻力(li)頻率進行(hang)比較，如表(biǎo)1所示。可以(yi)看出阻🧑🏾‍🤝‍🧑🏼力(li)系數變化(hua)頻率是升(shēng)力系數變(biàn)化頻⁉️率的(de)2倍，說明用(yong)FLUENT進行渦街(jie)流量計的(de)三維仿真(zhen)是可行的(de)。

4仿真結果(guo)
　　基于上述(shù)通過升、阻(zu)力變化頻(pin)率的關系(xì)驗證出利(li)用FLUENT對三維(wéi)渦街流場(chǎng)進行仿真(zhēn)是可行的(de)。應用FLUENT對截(jie)🌍流夾🔞角、流(liú)💋速和信号(hào)💃強度之間(jiān)的關系進(jin)行了仿真(zhēn)研究。分别(bie)取7m/s、40m/s和70m/s的流(liu)速，α的角度(du)🤟在0°～10°範圍内(nei)取值（發生(shēng)體的安裝(zhuang)💜偏差一般(bān)不會超過(guò)10°），進行數值(zhi)仿真。記錄(lu)信号強度(du)，如表2所示(shi)。

　　将表2的數(shu)據繪制成(chéng)圖7，将圖7中(zhōng)流速爲7m/s的(de)數據放大(dà)如圖8所示(shì)💜。觀察圖7、8，可(kě)以直觀的(de)反應出夾(jiá)角、流速與(yu)信号強度(du)的關☀️系變(bian)化。通過對(dui)比這3張圖(tu)可以看出(chū)💰，信号強🐇度(dù)随着夾角(jiao)、流🈚速的不(bu)同而不同(tong)。并從圖中(zhong)得出結論(lun)：
1）渦街的信(xin)号強度與(yǔ)流速成正(zhèng)比，随着流(liu)速的增加(jia)🧡，旋渦脫落(luò)頻率信号(hào)強度會顯(xiǎn)著增加。
2）在(zai)流速相同(tóng)的情況下(xia)，随着夾角(jiao)的增大，信(xin)号強度逐(zhú)漸減小，并(bìng)随着夾角(jiao)的增大，信(xìn)号強度的(de)衰減程度(du)也逐漸增(zeng)大。夾角在(zài)1°～7°範🔴圍，對信(xin)号強度的(de)衰減影🌈響(xiǎng)不大，可忽(hu)略🙇‍♀️，超過7°以(yi)後對信号(hào)強度影響(xiang)變大，不可(ke)忽略3）在✏️夾(jiá)角相同的(de)情況下，随(suí)着流速的(de)增大，信号(hào)強度衰減(jiǎn)趨勢越來(lái)越明顯。


5結(jié)論
　　流場仿(páng)真在渦街(jiē)流量計的(de)設計和完(wan)善中正變(biàn)得越✂️來越(yue)🔴重要，它通(tong)過理論支(zhi)持指導仿(pang)真的可實(shi)施性，并将(jiang)仿真結論(lùn)用于實🈲驗(yan)中，提高效(xiào)率。通過模(mo)拟三維渦(wō)街流場三(san)角柱繞流(liú)現象，将升(sheng)、阻力頻率(lǜ)進✨行對比(bi)，驗證了可(kě)将🐕FLUENT用于三(san)維渦街流(liú)場的仿真(zhēn)中。并從不(bú)同流🈲速和(hé)不同截流(liú)夾角兩方(fāng)面分别考(kǎo)慮，對比分(fen)析了三維(wéi)渦街信号(hao)的信号強(qiang)度，得出夾(jia)角在1°～7°範圍(wéi)，對信号強(qiang)度的影響(xiang)不大，超過(guò)了7°以後影(yǐng)響變💜大。從(cong)而爲以後(hòu)的實驗做(zuò)出理論指(zhǐ)導。進一步(bu)的研究可(ke)以通過對(duì)不同形狀(zhuang)的旋渦發(fā)生體取不(bú)同🧑🏽‍🤝‍🧑🏻截流夾(jia)角和不同(tong)流速進行(hang)仿真對比(bi)研究。

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