摘(zhai)要：目前對(dui)于渦(wo)街流量計 漩渦(wo)發生體(ti)的(de)位置(zhi)研究僅局(ju)限于(yu)二維(wei)的(de)仿真研究，但(dan)實際(ji)流體(ti)撞擊漩渦發生(sheng)體是(shi)流體(ti)三維(wei)模型。鑒于(yu)二維(wei)仿真(zhen)并不能完(wan)全對實(shi)際(ji)流體(ti)撞擊漩(xuan)渦發生(sheng)體的流(liu)場(chang)進行(hang)驗證(zheng)，采用數值(zhi)仿真軟件(jian)平Ansys+Workbench+FLUENT，根(gen)據實(shi)際渦街發(fa)生體(ti)的機(ji)械尺寸建(jian)立相應的(de)三維(wei)仿真(zhen)模型。并對(dui)仿(pang)真模型(xing)進行網格(ge)細分，再通(tong)過N—s方(fang)程進(jin)行求解計(ji)算，通(tong)過仿真與在線(xian)實驗(yan)對(dui)比(bi)驗證(zheng)表明通(tong)過(guo)FIUENT軟件(jian)對實際渦(wo)街流(liu)場進(jin)行仿真的(de)可行(hang)性。最(zui)終利(li)用FLUENT軟件(jian)，對不同(tong)流速，通(tong)過(guo)調整發生(sheng)體(ti)平(ping)移的(de)位置最終(zhong)确定(ding)發生(sheng)體位(wei)置對(dui)渦街(jie)信号(hao)的影(ying)響，從(cong)而(er)确定發(fa)生體(ti)允許(xu)最大的平(ping)移位(wei)置占(zhan)。
1引言
　　随(sui)着(zhe)渦街(jie)流量計(ji)在國内(nei)各行各業(ye)的使(shi)用量(liang)逐(zhu)漸(jian)增大(da)，各高校(xiao)、研(yan)究所(suo)和流量(liang)計生産(chan)廠商(shang)的學者和(he)研究(jiu)人員也對(dui)此展開了各方面的(de)研(yan)究，渦街(jie)流場的(de)數值仿(pang)真的(de)研究和實(shi)現也是(shi)其(qi)中一個重點]。
　　基于渦(wo)街流量計(ji)的測(ce)量原(yuan)理渦街發(fa)生體的設(she)計要求就(jiu)尤(you)爲(wei)重要(yao)，而在實際設計生産(chan)當(dang)中(zhong)不能(neng)保證發生(sheng)體的(de)中心位置(zhi)在管(guan)道的中軸(zhou)線上(shang)，發生體(ti)與管道(dao)中軸(zhou)線偏離多(duo)少會對(dui)最終的(de)測量(liang)産生(sheng)影響需要重複更換(huan)發生(sheng)體，操(cao)作起(qi)來費時費力。鑒(jian)于以(yi)上(shang)原(yuan)因對(dui)進行(hang)對渦(wo)街發(fa)生體(ti)移動(dong)位置進行(hang)仿(pang)真(zhen)研究(jiu)，通過(guo)仿真結果(guo)來指(zhi)導物理實(shi)驗，并(bing)根據(ju)物理(li)實驗結果(guo)進一(yi)步完(wan)善(shan)傳(chuan)感器(qi)結構(gou)。
2渦(wo)街流量(liang)計原理
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)利用流體(ti)振動原(yuan)理進行(hang)流量測(ce)量，在特(te)定的流動(dong)條件(jian)下,流(liu)體-部分動(dong)能轉(zhuan)化爲(wei)振動,其振動頻率與(yu)流速(流量(liang))有确定的比例關系(xi)。1878年斯(si)特勞哈爾(er)(Strouhal)發表(biao)了關(guan)于流(liu)體振動頻(pin)率與流速(su)關(guan)系(xi)的文(wen)章的。渦街流量(liang)計的(de)基本原理(li)是:在與被(bei)測介(jie)質流(liu)向垂直的(de)方向放置--個非流線(xian)型旋(xuan)渦發(fa)生體，當流(liu)體流過該旋渦發生(sheng)體時，在(zai)發(fa)生體(ti)後方(fang)兩側(ce)交替(ti)地分離釋放出(chu)兩列(lie)規則(ze)的交(jiao)錯排列(lie)的(de)旋渦，稱爲馮.卡爾曼(man)渦街(jie)們，如(ru)圖1所(suo)示。當(dang)旋渦發生(sheng)體右(或(huo)左)下方(fang)産生一(yi)個(ge)旋渦(wo)後，在(zai)旋(xuan)渦(wo)發生(sheng)體上(shang)産生一個(ge)升力。在旋渦發(fa)生體(ti)的(de)後方安(an)裝應力(li)式壓電(dian)傳感(gan)器，可以将(jiang)作用(yong)在(zai)旋渦發(fa)生體(ti)上的(de)升力(li)轉換爲電(dian)荷信(xin)号。該電荷(he)信号(hao)的變化(hua)頻(pin)率與(yu)旋渦(wo)的脫(tuo)離頻(pin)率一(yi).緻。通過檢測電(dian)荷(he)信号的(de)變化頻率(lü)，就可以得(de)到(dao)旋(xuan)渦的(de)分離頻率(lü)口。

3渦(wo)街流場(chang)模型分(fen)析
　　雷(lei)諾時(shi)均方(fang)程的方法求解(jie)出來(lai)的是(shi)流動(dong)變量的針對時間的(de)平(ping)均值.無(wu)法給(gei)出流場結(jie)構的詳細信息(xi)，體現不出(chu)湍流流動(dong)的瞬(shun)時性(xing)特點。大(da)渦(wo)模拟(ni)(LargeEddySimulation,LES)是近代湍流研(yan)究中,用(yong)計(ji)算機(ji)直接求解N-S方程(cheng)的一種方(fang)法,它(ta)從空間的(de)角度(du)對大渦(wo)進(jin)行直(zhi)接模拟，對小渦(wo)進行模型(xing)化處(chu)理，從(cong)而使得網(wang)格要求(qiu)比(bi)DNS低。其(qi)基本(ben)思(si)想是;将(jiang)流動的區(qu)域分(fen)爲兩(liang)個部分:一(yi)部分(fen)是(shi)可(ke)通過(guo)求解(jie)定(ding)常三維(wei)N-S方程獲得(de)的大(da)尺度渦旋流動(dong)部分，另一部分是不(bu)需(xu)要(yao)直接(jie)計算可(ke)采(cai)用通(tong)用模(mo)型獲(huo)得的(de)小尺度部(bu)分。
　　LES的(de)控制(zhi)方程是對(dui)N-S方程在波(bo)數空(kong)間或(huo)物(wu)理(li)空間(jian)進行過濾(lü)得到(dao)的。過(guo)濾(lü)的(de)過程(cheng)是去掉(diao)比(bi)過濾寬度或(huo)者給定(ding)物理寬度(du)小的旋渦(wo)，從(cong)而(er)得到(dao)大旋渦的控制(zhi)方程。對于(yu)均勻(yun)湍流,常用(yong)卷積濾波定(ding)義變量(liang)的大尺度(du)成分:


　　爲了(le)直觀(guan)得到(dao)渦街信(xin)号(hao)真實(shi)的流動曲線及(ji)流場分布(bu),本課題采(cai)用(yong)LES湍流模(mo)型來模拟(ni)渦街(jie)流場(chang)。在(zai)CFD-Post中.選用(yong)二階(jie)迎(ying)風差分格式(shi)及SIMPLE算法”進(jin)行仿真。如(ru)圖2爲(wei)流體流經(jing)三角(jiao)柱發生體(ti)時的(de)流線(xian)圖，可(ke)以從(cong)圖中清晰(xi)地看(kan)到旋(xuan)渦的産生(sheng)、脫落,以及渦街(jie)流量(liang)計的工作(zuo)流場。

4三維(wei)渦街流場仿真
　　通過FLUENT軟件對實(shi)際管道中(zhong)的流(liu)場進(jin)行仿(pang)真,其(qi)中在使用FLUENT設置相關參數時是(shi)根據(ju)實際(ji)管道中發生體的尺(chi)寸進行配置,圖(tu)3爲實(shi)際(ji)管道中(zhong)發生(sheng)體在(zai)管道中平(ping)移(yi)後的三(san)視圖。

　　發生體中(zhong)心線平行(hang)于基(ji)準軸(zhou)線(xian)。這種情(qing)況下，會産(chan)生位(wei)置偏差，平移距(ju)離記(ji)作δ。如(ru)圖4所(suo)示。

　　在(zai)Geometry中建(jian)立發(fa)生體中心線平(ping)行于(yu)基(ji)準軸線(xian)的三維(wei)幾(ji)何模(mo)型。如圖5所示。


　　可(ke)以從圖7中看出即使發(fa)生體位(wei)置與(yu)理(li)想位置(zhi)存在偏(pian)差，仍然(ran)會出(chu)現旋(xuan)渦脫(tuo)落現(xian)象。并且當(dang)發生(sheng)體上(shang)側的(de)旋渦(wo)從(cong)産生到(dao)脫落時.發生體(ti)下側在爲(wei)旋渦(wo)的産生做準備(bei)，而不(bu)會産(chan)生旋(xuan)渦。同時當上側(ce)旋渦(wo)離開(kai)發生(sheng)體一段(duan)距離以(yi)後，下(xia)側才開始(shi)出現(xian)旋渦。
　　發生體在(zai)理想(xiang)位置(zhi)時産生的旋渦(wo)是交(jiao)替(ti)排列的(de)，而發生(sheng)體在中(zhong)心線發(fa)生平移(yi)的情況下(xia)，會根(gen)據δ的(de)不同(tong)使得(de)旋渦(wo)脫落後朝(chao)中心(xin)線相對基(ji)準軸線平(ping)移的(de)方向(xiang)碰撞(zhuang)到管(guan)壁。針(zhen)對此(ci)現象對低(di)速(4m/s)、中速(40m/s)和(he)高速(su)(70m/s)流(liu)速(su)下進行仿真研究，并(bing)将數(shu)據(ju)記(ji)錄到表1中。

　　爲了(le)更爲(wei)直觀(guan)地反(fan)映出(chu)圖8中不(bu)同流速(su)下的(de)旋渦(wo)信号(hao)強度(du)随(sui)平移位(wei)置的變化規律(lü),現将(jiang)表(biao)1中(zhong)的旋(xuan)渦信(xin)号強度用表2的偏移程度(du)來表示(shi)。

　　将表2中(zhong)的(de)數據繪制成圖8。從圖(tu)中可(ke)以看出信(xin)号強度(du)随着偏(pian)移距離，流(liu)速的(de)不同(tong)而(er)不同。并(bing)且得出以(yi)下結論:無論是低速(su)(4m/s).中速(su)(40m/s)、還(hai)是(shi)高速(70m/s)流速下,随着平(ping)移距離的(de)增加(jia)，信号(hao)強度減弱(ruo),偏移程(cheng)度(du)增加(jia)。平移(yi)距離越小(xiao)，偏移程度(du)越小(xiao),随着(zhe)平移(yi)距離(li)的增加，平移距(ju)離與(yu)偏移程度(du)近似于平(ping)方關系。
　　通過觀察低(di)速(4m/s)、中(zhong)速(40m/s)和(he)高速(su)(70m/s)流速(su)下渦街流(liu)場中旋渦(wo)的産(chan)生-脫落圖(tu)，可以(yi)發現(xian)，當平移距離較(jiao)小時，會在(zai)發生(sheng)體尾(wei)部生(sheng)成兩列(lie)規則排(pai)列的旋渦(wo)。繼續(xu)增加偏移距離(li)，會出現(xian)旋渦發(fa)生體(ti)尾部(bu)産生(sheng)交替排(pai)列(lie)的旋(xuan)渦向(xiang)發(fa)生體尾(wei)部産生(sheng)的(de)旋渦(wo)碰撞(zhuang)到(dao)管壁的(de)過渡點。流(liu)速爲(wei)4m/s時，過(guo)渡(du)點(dian)在0.3d處(chu);流速爲(wei)40m/s和70m/s時，過渡點在0.4d處。也就(jiu)是說(shuo)，當流(liu)速爲4m/s,平移(yi)距(ju)離爲0.3d、0.4d和(he)0.5d時，發(fa)生體(ti)産生的旋(xuan)渦會(hui)碰撞(zhuang)到管(guan)壁(bi);當流速爲40m/s或(huo)70m/s,偏移距離(li)爲0.4d和0.5d時(shi)，發(fa)生體産生(sheng)的旋(xuan)渦會(hui)碰撞到(dao)管壁。
5仿(pang)真與實際流速(su)對比
　　實驗室使用50mm口(kou)徑液體流(liu)場進行實(shi)驗其(qi)中實驗裝(zhuang)置如(ru)圖9所示,由于限(xian)制本(ben)實驗主要(yao)針對低流速下(xia)進行(hang)實驗(yan)仿真(zhen)對比(bi)。

　　渦街(jie)流量(liang)計安裝在閥門(men)的下遊,由于閥(fa)門上(shang)遊(you)連(lian)接的(de)，水箱(xiang)在水(shui)泵不(bu)斷送水的狀态(tai)下一(yi)-直呈(cheng)溢出(chu)狀态，因(yin)此可認(ren)爲上遊水(shui)箱的(de)液位(wei)是穩定的(de)。實驗(yan)中通(tong)過調(diao)節閥(fa)門的開度(du)達到控(kong)制(zhi)回路中流量大小，同(tong)時與仿(pang)真中的(de)流速(su)進行對比(bi)，其中δ爲發(fa)生體(ti)平移(yi)距離。

6結論(lun)
　　流場仿(pang)真(zhen)在渦(wo)街流量(liang)計(ji)傳感(gan)器設計(ji)以(yi)及優化傳感(gan)器(qi)設計(ji)變得越來(lai)越重(zhong)要,它(ta)通過理論(lun)支持(chi)指(zhi)導(dao)仿真(zhen)的可(ke)實施性，并(bing)将仿(pang)真結(jie)論用于實驗(yan)中,大大(da)縮短(duan)了設(she)計周(zhou)期。
　　通過模(mo)拟三(san)維渦(wo)街流(liu)場以及渦街(jie)流量計(ji)的漩渦(wo)發生體(ti),通過改變發生(sheng)體與管道基準(zhun)軸的(de)距離從而(er)得到(dao)不同的漩渦信号(hao),通過仿(pang)真與實際管道(dao)流體的(de)實驗對(dui)比可(ke)以看(kan)出,在(zai)發生(sheng)體中心線(xian)相對(dui)于(yu)基(ji)準軸線發生平移的(de)情況下，渦(wo)街流(liu)場的(de)旋渦信号(hao)強度(du)是流(liu)體流(liu)速和平移距離(li)的共(gong)同作用結(jie)果,同時在發生(sheng)體偏離中(zhong)心軸(zhou)在0.05d以内(nei)則不影(ying)響渦街流(liu)量計(ji)的最(zui)終(zhong)測(ce)量精(jing)度,這爲實際設(she)計發(fa)生(sheng)體做出(chu)理論(lun)指(zhi)導。

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