摘要(yao)：通常大口(kǒu)徑管道的(de)流體流速(sù)較低,根據(ju)渦街流量(liàng)計
原理,其(qí)産生的渦(wo)街信号頻(pín)率和幅值(zhi)也很低、傳(chuan)統的懸臂(bi)粱式渦街(jiē)探頭在大(da)口徑管道(dao)上應用時(shi),由💞于其相(xiàng)對管道㊙️中(zhong)軸🏃♀️線的距(jù)離更遠,受(shou)管道振動(dòng)的影響更(gèng)大,無法很(hěn)好地進行(hang)測量采用(yong)數值仿真(zhen)軟🐇件平台(tái)Ansys+Workbench+Fluent對大口徑(jìng)渦街流量(liang)計
管道發(fā)生體處的(de)流場特性(xìng)進行了分(fèn)析根據分(fen)析🏃得出的(de)結🏃論結合(he)大口徑管(guan)道發生體(ti)的機械特(te)性,提出了(le)位于發生(sheng)體處基于(yu)差壓原理(li)的旋渦頻(pin)率✊檢測方(fāng)案。
大口徑(jing)渦街流量(liang)計(指管道(dao)直徑超過(guò)300mm)主要用于(yu)工業管👣道(dào)中天🙇♀️然氣(qi)、蒸汽、氮氣(qì)、氫氣、空氣(qì)等介質的(de)流✏️量計量(liang)。例✌️如：“西氣(qì)東輸”、“俄⛷️氣(qi)南下”等工(gong)程中需要(yào)用到大量(liàng)的大口徑(jing)渦街流垣(yuan)計🏃🏻♂️進行流(liu)量計量。
國(guó)内外對于(yú)渦街流量(liàng)計的研究(jiu)主要集中(zhōng)在中小✔️口(kǒu)🙇♀️徑,對⛱️于大(dà)口徑渦街(jiē)流量計的(de)研究很少(shao)。本課題㊙️的(de)主要來源(yuan)是作者🧑🏽🤝🧑🏻所(suǒ)在的課題(ti)組在現場(chang)調試傳統(tong)懸臂式渦(wō)街流量計(ji)時發現當(dāng)管道口徑(jìng)超過250mm時,提(tí)取到的渦(wo)街信号波(bō)形嚴重失(shī)真。對懸臂(bì)式渦街⛷️探(tan)進行改進(jìn),增加探頭(tou)的插入深(shēn)度,又極易(yì)引起共振(zhèn),帶來更大(da)🔞的幹擾信(xìn)号因此,需(xu)要研究新(xīn)的旋渦頻(pin)率檢測🛀方(fang)案。
1渦街流(liu)量計工作(zuò)原理
渦街(jie)流量計利(lì)用流體振(zhèn)動原理進(jin)行流量測(ce)量,在特定(dìng)☔的流動條(tiáo)件下,流體(tǐ)一部分動(dòng)能轉化爲(wèi)振動💘,其振(zhen)👄動頻率與(yǔ)😍流速㊙️(流量(liàng))有确定的(de)比例關系(xi)。基本原理(li)是_2]：在與被(bèi)✂️測介質流(liu)向垂直的(de)方🈲向放置(zhi)一非流線(xiàn)型旋💔渦發(fā)生體,當流(liú)體流過該(gai)旋渦發生(shēng)體時,在發(fā)生體阻‼️擋(dang)面後方兩(liang)側交替地(dì)分離釋放(fàng)出兩列規(guī)則的交錯(cuo)排列的旋(xuan)渦,稱爲馮(feng)·卡爾曼渦(wo)街,如圖1所(suo)示。
旋渦脫(tuō)落頻率f與(yǔ)發生體兩(liang)側的平均(jun)流速V之間(jiān)存在如下(xià)關系式
式(shì)中,S爲斯特(te)勞哈爾系(xi)數；d爲發生(shēng)體迎流面(mian)的寬度,單(dan)☔化🔆爲m。斯特(te)勞哈爾系(xi)數在很寬(kuan)的一段雷(léi)諾數範圍(wei)内可保持(chi)不變。因此(cǐ)測得頻率(lü)就能得到(dào)流速。
2大口(kou)徑管道渦(wō)街流場仿(páng)真
ANSYSWorkbench仿真協(xié)同平台是(shì)通過對産(chǎn)品研發流(liu)程葉1仿真(zhen)環境的🆚開(kāi)發與實施(shi),搭建一個(gè)集成多學(xue)科異構CAE技(ji)術的仿㊙️真(zhen)系統,使得(de)整個建模(mo)、仿真、分析(xi)、前後處理(li)無縫鏈接(jiē)。
FLUENT軟件運用(yong)CFD軟件群的(de)思想,具有(you)許多優化(huà)的理模型(xíng)。同時🛀采用(yòng)🌈r多🌈種求解(jie),『法和多重(zhòng)『舣1絡加速(su)收斂技術(shù),以此來達(da)🧡到最佳的(de)收斂精度(dù)FLUENT可以很舭(bi)的州測到(dao)内部流場(chang)的變化,通(tōng)過仿真結(jie)果來指物(wù)理實驗、
2．1幾(jǐ)何模型的(de)建與網格(ge)劃分
利用(yòng)ANSYSWorkbench—Geometry和ANSYSWork—bench—Mesh作爲FLUENT的(de)前處理模(mo)塊,對所研(yan)究的流場(chǎng)進行幾何(hé)建模和網(wǎng)格劃分。在(zài)Geometry中建立大(da)口徑管道(dào)二維幾何(hé)模型,如圖(tu)2和圖3所示(shi)。
旋(xuan)渦産生于(yu)發生體處(chù),故将發生(sheng)體處的網(wǎng)格細化,選(xuǎn)用三角形(xing)網格,大小(xiǎo)爲6mm。’爲節省(shěng)計算資源(yuan)将前後兩(liang)部分的網(wang)格🏃🏻♂️設置爲(wèi)四🤩邊形網(wang)格,大小爲(wèi)24mm。整個網格(ge)劃分🎯4所示(shi)。總網格數(shu)爲139194,網格質(zhì)量很好。
2．2FLUENT仿真參(can)數的設
将(jiang)Mesh中劃分好(hao)的網格文(wén)件導入FLUENT,進(jìn)行計算設(shè)置FLUENT的仿真(zhēn)參數🈲如下(xià)👄：
1)求解器(solution)：基(ji)于壓力的(de)二維雙精(jing)度瞬态(Transient)求(qiu)解器。
2)流體(ti)：空氣,密度(dù)1．225kg/rn3,運動粘度(du)1．7894xl0-5m2/s。
3)邊界條件(jiàn)(Boundarycondition)：人口,流速(sù)入口(veloci—ty—inlet),根據(jù)需要設置(zhì)不同的流(liú)速；出口,壓(yā)力🧡出口(pres—sure—outlet),零(líng)壓。
4)非穩态(tài)計算時間(jian)步長(timestepsize)：時間(jian)步長取決(jue)的網格大(da)小ΔX與流🤟速(su)V。一般取時(shí)間步長T=ΔX/V,根(gen)據波形再(zài)作适當的(de)調整
5)湍流(liú)模型：RNGK—?模型(xíng)。
6)監測點：監(jian)測參數爲(wei)渦街靜态(tài)壓力(Ve~exAverageStaticPressure),具體(tǐ)位置如圖(tu)5所👄示。差壓(yā)🔞傳感器放(fàng)置位置爲(wèi)将發生體(tǐ)的三角形(xíng)邊三等分(fen)。
2．3仿真數據(ju)記錄
将氣(qì)體流速分(fen)别設置爲(wèi)5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。運行100步之(zhi)後,波形呈(chéng)現周期性(xing)。空氣流量(liang)爲5m/s時渦街(jie)流場的靜(jìng)壓、速度參(cān)數的分布(bù)情況如圖(tú)6所示。對穩(wěn)定後的波(bō)形作傅裏(lǐ)葉變換,如(ru)圖7所示。
表(biǎo)1～表5依次爲(wèi)氣體流速(sù)爲5m/S、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s時不同(tong)取壓位置(zhì)的信号記(ji)錄。
2.4數據分(fen)析
從表1～表(biǎo)5中我們可(ke)以看出,當(dang)取壓位置(zhì)位于發生(shēng)體後㊙️時,同(tóng)💰一流速下(xia),壓力最大(dà)的點位于(yu)發生體後(hou)1.5d處,即P3處；當(dang)取壓位置(zhi)位😄于發生(sheng)體處時,同(tóng)一流速下(xia),壓力變化(huà)不大,隻有(you)PD3明顯小于(yú)PD2和PD1。爲了兼(jian)顧到渦街(jiē)信号的穩(wěn)定性,應盡(jin)量将差壓(ya)傳感器安(ān)裝在離發(fā)生體迎流(liú)遠的💃🏻位置(zhi),因此取⭐PD2處(chù)。不同流速(sù)🔅下P3和PD2處的(de)壓力對比(bǐ),如圖8所🙇♀️示(shi)。
由圖8中曲(qu)線可知,PD2處(chu)的壓力明(míng)顯大于P3處(chù),且其值越(yue)爲4倍關⭐系(xì)。
3試驗結論(lun)
大口徑渦(wo)街信号發(fa)生體的尺(chǐ)寸通常很(hen)大,所以其(qi)結構🚶♀️爲鋼(gang)闆拼接的(de)中空結構(gòu)。發生體的(de)沿管道方(fāng)向的長度(dù)較長,足以(yǐ)保證渦街(jie)信号穩定(ding)形成。且由(yóu)上面仿真(zhēn)的結論可(ke)知PD2處的渦(wo)街信号強(qiang)度爲P3處的(de)4倍左右。因(yīn)此,本文提(ti)出了如圖(tú)9所示的漩(xuan)渦頻率檢(jian)測裝置。
進(jìn)一步的研(yán)究還需要(yao)制作旋渦(wō)發生體實(shí)物,在實際(ji)的大口徑(jìng)管道上驗(yan)證方案的(de)可行性,測(cè)試其抗振(zhen)動👉性、重複(fú)性等。
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