摘要:通過FLUENT對典型(xing)的渦街流量計 在(zài)低溫流體中的卡(ka)門渦街流場特性(xing)進行理論分析和(he)🐇數值仿真,并與常(chang)溫工況下的渦街(jiē)流場進行比較,分(fen)析低溫流體的旋(xuán)渦分離過程,得出(chu)流量與渦街分🧡離(lí)頻率的對應關系(xi)。研究表明,數值仿(pang)真方法成本低,适(shi)于模拟🚩複雜流場(chang),爲低溫渦街流量(liàng)計❄️在渦街發生體(tǐ)形狀和壓💘電振動(dong)傳感器采樣位置(zhì)🐆的設計與優化提(ti)供理論依據。.
1引言(yan)
　　渦街流量計具有(yǒu)儀表系數穩定、瞬(shùn)時流量測量正确(què)、量程範🌍圍寬、壓力(lì)損失小、結構和檢(jian)測方式組合多樣(yàng)、便于安裝㊙️維護等(děng)諸多特點，在流量(liàng)測量領域占有重(zhong)要地位。常溫下的(de)渦街流量計技術(shù)已經相當成熟，至(zhì)👈今已發展爲多種(zhong)旋渦發生體形式(shi)及不同檢測方法(fǎ)，系列化的産品應(yīng)用于各種工業領(ling)域😍。但用于低溫❓(特(te)别是超低溫,如液(ye)氫、液氧、液氮)流體(ti)👄測量的渦🏃🏻街流量(liàng)計才剛剛起步，國(guó)外已在近期開展(zhǎn)☁️了研究,在國外航(háng)天領域的低溫流(liu)體流量測量中使(shi)用效果良好，并逐(zhu)步有産㊙️品推向市(shì)場。目前,中國國内(nei)少有低溫渦街流(liu)🚶量計的産品和文(wen)獻系統報導。
　　在超(chāo)低溫下，信号感測(cè)器靈敏度下降,因(yin)此必須産生☂️更加(jiā)強烈穩定的旋渦(wo),才能提高信噪比(bǐ),滿足精🚶度要求。此(cǐ)外，液氫、液氧和液(yè)氮等低溫流體的(de)物性極爲特☔殊,其(qí)黏度極低,極易産(chan)㊙️生空穴。衆所周知(zhī),旋渦發生體形狀(zhuang)和檢測位置對🍓渦(wo)街流量計的測量(liang)質量影響很大，,但(dan)是受檢測條件和(hé)手🤟段的限制，難🚩以(yi)對其影響🧑🏾‍🤝‍🧑🏼進🔴行有(yǒu)效評價。利用計算(suàn)流體力學(CFD)數❄️值仿(pang)真的方法模拟不(bu)同旋渦發生體渦(wō)街流量傳感♻️器内(nèi)部流場,進而🌈确定(ding)旋渦發生體形🤞狀(zhuang)以及檢測點位置(zhì),對渦街流量傳感(gǎn)器的優化具有重(zhong)要的指導意義。本(běn)文根據低溫流體(ti)(以液氮爲🛀例)的物(wu)性參數和流體力(li)學理論,對低溫渦(wo)街的流場進行理(lǐ)論計算和數值仿(pang)真,分析⭐低溫流💰體(tǐ)渦街的産生過程(cheng),對比低🐪溫渦街和(he)常溫渦街流場分(fèn)布的異同,爲低溫(wēn)渦街流量🌏計的設(shè)計和優化提供理(li)論依據。
2低溫渦街(jiē)特性理論分析
2.1渦(wo)街流量計的工作(zuo)原理
　　在流體中設(she)置旋渦發生體,就(jiu)會從旋渦發生體(ti)兩.側交替地産生(shēng)有規則的旋渦,這(zhè)種在旋渦發生體(tǐ)下遊非對稱排列(liè)的旋渦列即卡門(men)渦街。根據卡門渦(wō)街原理,旋渦頻率(lü)ƒ有如下關系式:
 
　　式(shi)中:ƒ爲旋渦頻率,Hz;Sr爲(wei)斯特勞哈爾數,無(wu)量綱,與旋渦💘發生(sheng)體形狀及雷諾數(shu)Re有關,在Re=2×104-7x106範圍内可(ke)視爲常數，例如三(san)角柱發生體的斯(si)特勞哈爾數爲Sr=0.16;V爲(wèi)測量管内被測介(jie)質的平均流❗速，m/s;m爲(wei)發生體兩側弓形(xíng)流通面積之和與(yǔ)測量管的橫街面(mian)積之比,計算如下(xia):
 
　　式中:D爲渦街流量(liàng)計管道口徑,m;d爲旋(xuan)渦發生體迎流面(miàn)寬📐度,m,對😄于三角柱(zhu)發生體而言,d=0.28D。
　　渦街(jiē)流量計的儀表系(xì)數K:
 
　　式中:K爲渦街流(liu)量計儀表系數,m-3;qv爲(wei)管道内被測介質(zhi)的體⛹🏻‍♀️積🤞流量,m³/s。
　　可見(jian)儀表系數K與旋渦(wō)發生體、管道的幾(jǐ)何尺寸及斯特勞(láo)哈爾數Sr有關。但在(zài)Sr可視爲常數的雷(lei)諾數範圍内,K就隻(zhi)與旋渦發生體形(xíng)狀和管道幾何尺(chǐ)寸有關,因此渦街(jiē)流量計輸出的脈(mò)沖頻率信号不受(shòu)流體物性和組分(fèn)變化的影響，隻要(yao)正确測得旋渦頻(pin)率ƒ,就可正确得知(zhī)被測流💋體的流速(su)U和體積流量qv,給.信(xin)号的測量提供了(le)依據。
2.2低溫渦街流(liú)量與頻率特性
　　圓(yuan)管傳輸流體的雷(lei)諾數Re爲:
 
　　式中:ν爲流(liú)體運動黏度,m/s。
　　渦街(jiē)流量計測量液體(tǐ)的最低流速一般(ban)≥0.3m/s,最大流速應≤7m/s。以口(kǒu)徑100mm的渦街流量計(jì)爲例，在測量液氮(dan)(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其雷諾數Re的上(shang)下限爲:1.53x105≤Re≤3.58x106，滿足斯特(tè)勞哈爾數Sr可視爲(wèi)常數的雷諾數範(fan)圍。因此,渦街流量(liàng)計的特性在原理(li)上也可以适用于(yú)液氮的低溫工況(kuang)流量測量。
　　依據式(shì)(3)可以計算出口徑(jing)100mm的渦街流量計的(de)儀表系數K=1123m-3.
3低溫渦(wo)街的流場仿真模(mó)型建立.
3.1FLUENT在渦街仿(páng)真中的應用
　　計算(suàn)機高性能運算的(de)不斷提高使計算(suan)流體力學(CFD)技術更(geng)加💜實用,越來越完(wan)善的流體計算模(mó)型開始🏃‍♂️被商業化(hua)的CFD軟件所采用，如(ru)FLUENT集成了衆多湍流(liu)模型、LES模型JDES模型、化(hua)學反應模型、多相(xiàng)🐆流模型❓等研究成(cheng)果。近年，在渦街流(liú)量計設計和優化(huà)中,越來⛹🏻‍♀️越多的采(cai)🔱用了FLUENT等CFD軟件進行(hang)數值仿真,大大節(jiē)省了開發成本和(he)周期,并且🧑🏽‍🤝‍🧑🏻對其内(nèi)部流場有了更加(jiā)深刻和⁉️直觀的理(lǐ)解。
　　通過兩維渦街(jiē)流場的仿真,研究(jiu)了雷諾數和剪切(qie)率對渦結構的影(ying)響。通過FLUENT對渦街流(liú)量計流場進行了(le)數值仿🔞真,據此優(you)♉化設計渦街流量(liàng)計結構，選取取壓(ya)位置。研究💘旋渦發(fā)生體前🔆後壓差🌈與(yǔ)流速之間的關系(xì)，提出了利用🤞單一(yi)差壓傳感器測量(liàng)質量流量的新方(fāng)法。通過FLUENT對梯形發(fa)生體與T形發生體(tǐ)的渦街流場進行(hang)☂️模拟對比研究,并(bìng)🈲得到了檢測點位(wèi)置。以上研究🤩者的(de)工作表明,利用FLUENT仿(pang)真能夠較真實的(de)反映渦街流量計(ji)的内部流場特性(xing),在🥵渦街流量計的(de)開發過程中扮演(yan)越來越重要的角(jiao)色。
3.2建模與網格劃(hua)分
　　渦街流量計的(de)二維仿真結構模(mó)型如圖1所示,管道(dào)口徑爲👣D=100mm,三角柱旋(xuán)渦發生體迎流面(miàn)寬度d=28mm,頂角θ=19°,符合該(gai)管道口徑下的行(hang)業标準。渦街流量(liang)計的網格劃分采(cǎi)用四邊形結構化(hua)網格,根據區域的(de)不規則程🌐度和流(liú)場的複雜程度對(duì)不同子區域進行(hang)分别劃🧑🏽‍🤝‍🧑🏻分。
 
3.3求解條件設(shè)置
　　爲了能夠計算(suàn)得到流場的正确(que)解,必須給定合理(lǐ)的邊界💋條件和流(liu)體物性,并選擇合(he)适的求解器和計(jì)算模型。渦街流場(chǎng)爲非㊙️定常流動，雷(lei)諾數較高,對渦街(jie)流場仿真的求解(jie)條件如表1設置。
 
4仿(páng)真結果分析
4.1低溫(wēn)渦街的形成過程(cheng)
　　圖2表示了一個旋(xuan)渦形成周期T内不(bú)同時刻的渦街二(èr)維流場圖,直觀反(fan)映了渦街的形成(cheng)、脫落過程。可以看(kan)到邊界層在渦街(jiē)發生體的兩側平(píng)行棱邊開始減速(sù)增壓運動,并伴有(yǒu)倒流現象。倒流沿(yán)着壁面向後伸展(zhǎn)使邊界層明顯增(zeng)厚,同時旋渦的尺(chi)寸不♈斷增大。當旋(xuán)渦增加到一定程(cheng)度後,就從發生體(tǐ)上脫落分離，随着(zhe)流體向下遊運動(dòng),形成振蕩尾流。在(zai)旋渦的中📱心形成(chéng)低壓區,會随着旋(xuán)渦的交替産生和(he)脫落過程,在流場(chǎng)中形成周期性變(biàn)化的壓力場💁,壓力(li)場的❤️變化頻率與(yǔ)旋渦脫落頻率--緻(zhi)。壓電式渦街流量(liang)計即是通過檢測(cè)流場内振蕩尾🌐流(liu)中特定💋點處的壓(ya)力變化頻率來測(ce)✂️定流速。
 
4.2低溫渦街(jiē)仿真結果正确率(lǜ)驗證
　　由于低溫渦(wō)街試驗條件受限(xiàn),低溫渦街仿真結(jie)果和理論🔱計算值(zhi)與相同結構尺寸(cun)的常溫渦街流量(liàng)計在🈲水介質中的(de)校驗數據進行比(bi)對。如圖3所示,試驗(yan)與仿真曲線的線(xian)性🍓度都很好，而且(qie)低溫介質與👅常溫(wen)介質的數據比較(jiào)一緻,驗證了斯特(te)勞哈爾數♊St與儀表(biao)系數K不随介質與(yu)溫度影響的特性(xìng)。分析結✉️果可知:渦(wō)街㊙️流量計儀表系(xi)數的試驗值與理(lǐ)論計算值之間的(de)相對誤差在3%之内(nei);仿真值與試驗值(zhí)之間的相對誤差(chà)在5%之内,說明所采(cǎi)取的仿真方法比(bi)較正确,驗證了FLUENT數(shù)值仿真技術用于(yu)低溫渦街🏃‍♀️流量計(jì)流場仿真的可行(háng)性。
 
4.3低溫渦街與常(cháng)溫渦街的流場分(fen)布對比
　　圖4比較了(le)低溫渦街與常溫(wēn)渦街的流場分布(bu),由于液氮的粘度(dù)比水低很多,流體(tǐ)内部的分子間引(yin)力和碰撞較弱，流(liú)🔞體間的相對運動(dong)阻力較大，造成低(di)溫渦街的流場中(zhong)速度梯度較大,表(biǎo)現爲旋渦尺寸💜比(bǐ)常溫工況下的旋(xuán)渦小。因此，相比常(chang)溫下壓電傳🔞感器(qì)的安置♊位置而言(yan)，檢測振蕩尾流中(zhōng)旋渦列的低溫渦(wo)街的傳感器就要(yao)更靠近渦街發生(sheng)體,這在設計低溫(wen)渦街流🔴量計時必(bi)須特殊考慮。
　　能量(liang)的相對集中導緻(zhi)了壓力梯度(主要(yao)爲動壓)也比較大(dà)。但必須注意到，在(zài)旋渦發生體前後(hou)的壓差使液體介(jiè)質釋放出⁉️氣體而(ér)在渦街發生體末(mò)端附🔴近産.生空穴(xue),這🍓在低溫工況下(xià)尤爲嚴重。因此,必(bì)須在渦街流量計(ji)下遊設置背壓🔅以(yi)避免空化現象的(de)影響。同時也✌️說明(ming)了采用安置在渦(wō)街發生體上測量(liang)交變壓差或⚽壓力(lì)脈動的測量方法(fa),并不适🥰用于低溫(wēn)工況下的渦街信(xin)号檢測。
5結論
(1)通過(guo)對低溫渦街流場(chang)的CFD仿真模拟,圖示(shi)了低溫渦🍓街⁉️的形(xing)成📧和脫落過程,便(bian)于更好地分析和(hé)理解渦街特性。
(2)分(fèn)析渦街流量計儀(yí)表系數的理論計(jì)算數據、試驗數據(ju)🔅與仿真數據,驗證(zheng)了将FLUENT數值仿真技(jì)術用于渦街流量(liang)計内部流場分析(xī)的有效性,可以作(zuo)爲渦街流量計的(de)優化設計的理論(lun)指導依據。
(3)對低溫(wen)渦街和常溫渦街(jie)的流場分布進行(háng)對比,從低黏🐆度流(liú)體介質物性的角(jiao)度解釋了低溫渦(wō)街流場的特殊性(xìng),并對低溫渦街壓(yā)電傳感器位置設(shè)置提出了有益建(jiàn)議。

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