蒸汽作爲(wèi)一種重要(yào)的二次清(qing)潔能源，在(zai)電廠、石油(you)化工、食品(pin)、機械加工(gong)等工業生(shēng)産領域和(he)人民的日(rì)常生活中(zhong)占據了越(yuè)來越重要(yào)的地位。爲(wèi)了提高蒸(zhēng)汽的計量(liàng)水平，标準(zhun)孔闆、噴嘴(zui)以及渦街(jie)流量計等(děng)多種類型(xíng)的蒸汽儀(yi)表，而在衆(zhōng)多類型蒸(zheng)汽儀表中(zhong)，渦街流❗量(liàng)計以其結(jie)構簡單、測(ce)量範圍寬(kuan)、壓損小、測(ce)量⛱️時無可(kě)動件等優(you)點在蒸汽(qi)計量中得(de)到快速的(de)推廣💋和使(shǐ)用。
1 渦街流(liú)量計
　　渦街(jiē)流量計 ( 又(yòu)稱旋渦流(liu)量計) 是根(gēn)據 “卡門渦(wo)街”原理研(yan)制成的流(liu)體振蕩式(shi)流量測量(liàng)儀表。所謂(wei) “卡門渦街(jiē)”現象就是(shi)在測量管(guǎn)道流動的(de)流體中插(chā)入一根 ( 或(huò)多根) 迎流(liu)面爲非流(liu)線型的旋(xuan)渦😍發生體(ti)，當雷諾數(shu)達到一定(dìng)值時，從旋(xuán)渦發生體(ti)下遊🏃‍♀️兩側(cè)交替地分(fèn)離釋放出(chū)兩串規則(zé)👄的交錯排(pai)列的旋渦(wō)，這種旋渦(wo)稱爲卡🌈門(men)渦街。在一(yi)定雷諾數(shu)範圍内，旋(xuán)渦的分離(lí)頻率與旋(xuán)渦發生體(ti)的幾何尺(chǐ)🧡寸、管道的(de)幾何尺💯寸(cun)有關，旋渦(wō)的頻率正(zhèng)比于管道(dao)流體❓流量(liang)，并可由各(gè)種型式的(de)傳感器檢(jian)出，渦街流(liu)量計工作(zuò)原理如圖(tu) 1 所示。

卡門渦街(jiē)頻率計算(suan)公式爲:

　　式(shi)中: f 爲旋渦(wō)頻率; Sr爲斯(sī)特勞哈爾(ěr)數; m 爲旋渦(wo)發生體兩(liǎng)側弓🌍形🈲面(mian)積與管道(dao)橫截面面(miàn)積之比，不(bu)可壓縮流(liu)體中，由于(yu)流體密度(dù) ρ 不✔️變，由連(lian)續性方程(cheng)可得到 m = U/U1。

　　不(bu)同介質對(duì)渦街流量(liang)計性能的(de)影響最終(zhōng)體現在儀(yi)表系數的(de)差異上，所(suo)以本文使(shǐ)用 Fluent 軟件建(jian)立渦街流(liu)量🌈計的幾(jǐ)何模型，然(ran)後對不同(tóng)介質下的(de)流場進行(hang)仿真分析(xī)，并仿真得(de)到不同介(jie)質下的儀(yi)表系數，最(zuì)終通過🌂實(shí)驗驗證得(de)到空氣和(he)水作爲替(ti)代介質♈導(dao)緻的與蒸(zhēng)🌈汽實流标(biāo)定得到的(de)儀表系的(de)差異。
2 仿真(zhen)模型與條(tiao)件的設定(dìng)
2. 1 仿真模型(xing)
　　選擇 DN100 口徑(jing)的渦街流(liú)量計進行(hang)研究，利用(yong) Gambit 軟件建立(lì)🈲渦🐕街流量(liang)計幾何模(mó)型并劃分(fen)網格，渦街(jiē)流量計發(fa)生體橫截(jié)面網☁️格如(rú)圖 2 所示。

　　爲了提(tí)高計算效(xiao)率，渦街發(fa)生體處重(zhong)點加密，其(qi)他區域适(shi)㊙️當的稀疏(shū)。從圖 2 可以(yi)看出，渦街(jiē)發生體所(suǒ)處流場網(wǎng)格😄均勻加(jia)密。通過加(jia)密畫法，靠(kao)近渦街發(fā)生體的橫(héng)截面網格(ge)較密，遠離(li)渦街發生(shēng)🌐體而靠近(jin)管壁的網(wang)格較稀疏(shu)。
2. 2 仿真條件(jiàn)設定
　　仿真(zhēn)選擇三種(zhong)流體材質(zhì)，分别爲空(kong)氣和蒸汽(qi)兩種可壓(yā)縮流體以(yǐ)及不可壓(ya)縮的水，在(zai) Fluent 中空氣和(hé)蒸汽材質(zhì)通過🐇設定(dìng)氣體的密(mi)度選項來(lai)實現。對于(yu)不可壓縮(suo)流體選擇(ze)🐆的密度爲(wei)常數; 空氣(qì)介質選擇(zé)默認🤞密度(du) 1. 225 kg/m3，其密度設(shè)定爲理想(xiǎng)氣體，在叠(die)代計算的(de)過程🌐中，根(gēn)據氣體狀(zhuàng)态方程壓(yā)💔強的變化(hua)修正流體(tǐ)的密度; 蒸(zheng)汽介質的(de)🏒密度根據(jù)IF － 97 公式，利用(yòng) UDF 編程設置(zhi)。
仿真模型(xíng)選擇 ＲNG k － ε 雙方(fāng)程湍流模(mo)型，該模型(xing)可以很好(hao)地處🌈理高(gāo)應‼️變率以(yi)及流線彎(wān)曲程度較(jiào)大的流體(tǐ)流動，非常(cháng)适合具有(yǒu)旋渦脫落(luò)現象的渦(wo)街流場仿(páng)真［8］。
3 流場仿(pang)真分析
　　根(gen)據公式 ( 1) 可(kě)知，影響渦(wo)街流量計(ji)旋渦頻率(lǜ)的是發🏃🏻生(shēng)🏃‍♂️體🔱兩側的(de)流速 U1和發(fa)生體的結(jié)構，由于發(fa)生體結構(gou)尺寸是固(gù)定📧的，因此(ci)頻率隻與(yǔ) U1相關，需要(yào)觀測在相(xiàng)同入口流(liú)速 U 的條件(jiàn)下 U1變化⛷️來(lái)得到🔅頻率(lǜ)的變化，而(er)速度的變(biàn)化必然會(huì)導緻流體(ti)密度的變(bian)化，因此可(kě)觀測發生(shēng)⚽體兩側的(de)密度雲圖(tú)，來判斷可(ke)壓縮性對(duì)渦街流量(liang)計流速 U1的(de)影響，通過(guo)仿真得到(dao)如圖 3 ( a) 所示(shi)的不可壓(yā)縮流體發(fa)生體兩側(cè)的密度雲(yun)圖和如圖(tú)‼️ 3 ( b) 所示的可(ke)壓縮流體(tǐ)發生體兩(liǎng)側的❗密度(du)雲圖。

　　由圖(tú) 3 可以看出(chū)，不可壓縮(suo)流體的密(mì)度在仿真(zhēn)過程中沒(mei)🐇有發生變(bian)化，可壓縮(suō)流體的密(mì)度發生了(le)變化，必然(ran)會導💁緻兩(liang)☂️側速度 U1的(de)變化。可壓(ya)縮流體經(jīng)過發生體(ti)後密度變(biàn)小會導緻(zhi) U1變大。
　　根據(ju)圖 3 得到的(de)結論，對渦(wō)街流量計(jì)進行蒸汽(qì)、空氣🤞和水(shuǐ)⁉️三種介質(zhi)下的軟件(jiàn)仿真，設置(zhi)三種介質(zhì)的入📐口流(liu)速均爲 50 m/s，取(qǔ)渦街發生(shēng)體迎流面(miàn)側棱中點(diǎn)與管壁連(lian)線，如圖 2 中(zhong)💔線段 ab所示(shi)。取該🌂線上(shàng)的🔞速度值(zhi)，将蒸汽、空(kong)氣和水三(sān)種介質下(xia)的速🏒度曲(qu)線進行比(bi)較，結❄️果如(rú)圖 4所示。

　　從(cóng)圖 4 中可以(yǐ)看出，在靠(kao)近渦街發(fā)生體的位(wei)置，可壓縮(suo)流體☀️流速(sù)✉️明顯大于(yú)不可壓縮(suo)流體流速(sù)，且空氣的(de)流速要大(da)于蒸汽介(jiè)質的流速(su)。因此空氣(qi)介質受氣(qi)體可壓縮(suō)性的影響(xiǎng)較大。
　　渦街(jie)流量計的(de)計量性能(neng)最終反映(ying)到儀表系(xi)數上，渦街(jiē)流量計兩(liang)側的旋渦(wō)頻率決定(dìng)了儀表系(xi)數的大小(xiǎo)😄，圖 5 爲仿真(zhēn)得到的渦(wō)街流量計(ji)渦流流場(chang)靜壓雲圖(tu)。從圖中可(ke)以看出兩(liang)個明顯的(de)脫落旋渦(wō)。圖中 A 區域(yù)靜壓大，B 區(qu)域靜壓小(xiao)。靜壓最小(xiao)的位置是(shi) C 處，也🔞就是(shì)脫落旋♊渦(wo)的渦心位(wèi)置。檢測渦(wo)街發生體(tǐ)下遊🌈 1D 處的(de)靜壓變化(hua)✉️得到如圖(tú) 6 所示的靜(jing)壓變化圖(tu)。

　　對圖 6 中(zhōng)靜壓數值(zhi)進行快速(su)傅立葉變(bian)換，得到如(rú)圖👉 7 所🌂示♌的(de)三💁種介質(zhì)下的旋渦(wo)脫落頻率(lü)圖。
通過讀(dú)取圖 7 三種(zhǒng)介質旋渦(wō)脫落頻率(lü)圖最高

點的頻(pín)率，可以得(de)到空氣介(jiè)質的旋渦(wo)脫落頻率(lü)爲1 595 Hz，蒸汽介(jiè)質的旋渦(wō)脫落頻率(lü)爲 1 579 Hz，水介質(zhì)的旋渦脫(tuō)落頻率爲(wei)1 559 Hz。代入公式(shi) ( 1)可🚩以發🌍現(xian)，渦街流量(liàng)計在相同(tong)管道直徑(jing)相同入口(kǒu)速度的情(qing)況下在水(shui)介質中得(dé)到的儀表(biǎo)系數最小(xiao)、蒸汽次之(zhi)、空氣最大(da)。說明空氣(qi)受🔴氣體介(jiè)質的可壓(yā)縮性影響(xiang)大，在發生(sheng)體兩側的(de)密度變化(huà)率較蒸汽(qì)要大。
4 實驗(yàn)驗證
　　爲驗(yàn)證仿真分(fèn)析得到的(de)結論，利用(yong)負壓法音(yin)速噴嘴氣(qì)體流量計(jì)量标準裝(zhuāng)置、蒸汽實(shí)流計量标(biāo)準裝置和(he)水流🚶‍♀️量計(ji)量标準裝(zhuang)置對該結(jié)構類型的(de)渦街流量(liang)計進行三(san)種介質的(de)實驗㊙️研究(jiu)，各測試條(tiao)件參數如(rú)表 1 所示。

在(zài)上述實驗(yàn)條件下得(de)到三種标(biāo)準計量裝(zhuāng)置的儀表(biao)系數💁，實⭕驗(yan)結果如圖(tú) 8 所示。

　　由圖 8 可(ke)看出，在實(shí)驗過程中(zhong)，空氣與水(shui)的儀表系(xi)數與👨‍❤️‍👨仿真(zhēn)分☎️析🐉基本(běn)相符，但蒸(zheng)汽介質的(de)儀表系數(shù)要小，這主(zhǔ)要🌈是因爲(wèi)蒸💛汽介質(zhì)的高溫使(shǐ)發生體的(de)幾何尺寸(cùn)發生變化(huà)導緻的儀(yí)表系數的(de)改變。
根據(ju)經驗公式(shi) ( 4) :

　　由公式 ( 4) 可(ke)以知道随(suí)着溫度的(de)升高，儀表(biao)系數會減(jian)小，因✊此🈚就(jiù)出現了圖(tú) 8 所示實驗(yan)數據與圖(tú) 7 仿真頻率(lü)💛計算出的(de)儀表系數(shu)㊙️的微小差(chà)異。
5 結論
　　利(lì)用 Fluent 軟件實(shí)現了渦街(jiē)流量計在(zài)不同介質(zhi)下的流場(chǎng)💛仿☔真✌️，根據(jù)卡門渦街(jiē)的産生機(ji)理，對比分(fen)析了空氣(qi)、蒸汽和水(shui)三種不同(tong)介質條件(jiàn)下的流場(chǎng)，仿真結果(guo)表明随着(zhe)可壓縮性(xing)的增強👄，渦(wo)街流量計(jì)的儀表系(xi)數随之變(biàn)大，因此在(zai)渦街流量(liang)計的首次(ci)或者後續(xù)檢定中盡(jin)量采用與(yǔ)工❌況相同(tong)的介質進(jin)行标定。

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