摘要：對于(yú)渦街流量(liang)計 的旋渦(wo)發生體的(de)仿真研究(jiu)主要集中(zhong)在形狀和(he)尺寸上，但(dàn)在現場複(fu)雜工況環(huan)境的情況(kuàng)下，發生體(ti)的位置并(bìng)不是固定(ding)不變的，會(huì)存在安裝(zhuang)偏差。爲了(le)很好的分(fèn)析發生體(tǐ)安裝📱偏差(cha)帶來的信(xìn)号強度發(fā)生變化的(de)問題，确定(dìng)不影響信(xìn)号強度的(de)最大偏差(cha)角度，采用(yong)三角柱型(xíng)發生體，在(zai)Ansys+Workbench＋FLUENT數值仿真(zhen)軟件平台(tai)環境下，根(gen)據渦街⛹🏻‍♀️流(liú)量計的實(shí)際物理結(jie)構尺寸建(jian)立仿真模(mó)型，并對其(qí)進行網格(ge)劃分、求解(jie)，将仿真得(de)到的升、阻(zu)力頻率相(xiàng)比較，得出(chu)阻力頻率(lü)正好是升(sheng)力頻率的(de)2倍，表明可(kě)以利用FLUENT軟(ruǎn)件對渦街(jiē)流量計進(jin)行🈲三維流(liú)場數值仿(pang)‼️真。最後利(li)用FLUENT軟件，通(tōng)過改變管(guǎn)截🥰面與截(jié)流面的夾(jiá)角，在低、中(zhong)、高速流速(su)下，對其進(jin)行取壓，将(jiāng)得到的信(xin)号強度和(hé)頻譜分布(bu)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(yi)後影響變(bian)大。
1引言
　　随(suí)着計算機(jī)技術、數值(zhi)計算技術(shu)的發展，現(xian)代模拟仿(páng)真技術計(jì)算流體力(li)學（cmputational fluid dynamics,CFD）也随之(zhī)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(xing)學科🥵，它力(li)求通過數(shù)值實驗替(tì)代實物實(shí)驗，采用虛(xū)拟流場來(lai)模拟真實(shí)流場内部(bù)的流體流(liu)動情況🌈，從(cóng)而使得實(shí)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(jian)提供了多(duō)種基于非(fei)結構化網(wang)格的複雜(zá)物理模型(xíng)，并針對不(bu)同物理問(wen)題的流動(dong)特點創建(jiàn)出不♈同的(de)數值解法(fa)［6］。用戶♌可根(gen)據實際需(xū)求自由選(xuǎn)擇，以便在(zài)計算速度(dù)、穩定性和(he)精度等方(fāng)面🔆達到好(hǎo)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(jiū)，主要集中(zhong)在渦街發(fā)生體形狀(zhuang)和尺寸上(shang)［7－10］。Ｙａｍａｓａｋｉ指出發生(sheng)體的形狀(zhuàng)與幾何參(can)數和渦街(jie)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(cun)在相當大(da)的關聯關(guan)系。Ｓ．Ｃ．Ｌｕｏ等人研(yán)究旋渦發(fa)生體尾緣(yuán)形狀以🔞及(jí)迎流角度(du)對渦街性(xìng)能的影響(xiǎng)，在風洞和(hé)水槽實驗(yan)中，得出在(zai)全長相等(děng)的情況下(xià)，旋渦強度(dù)随尾緣夾(jiá)角的增大(da)而減🌍小。彭(péng)傑❌綱等人(ren)在50mm口徑管(guan)道氣流量(liàng)實驗中，通(tong)過對不同(tóng)尾緣夾角(jiao)角度🌈的旋(xuán)渦發生體(ti)進行實🧡驗(yan)研究，得出(chu)旋渦發生(shēng)體尾緣的(de)夾角爲41．8°時(shi)具有很好(hao)的線性度(dù)。賈⛷️雲飛等(deng)人通過對(duì)二維渦街(jiē)流場中的(de)壓力場進(jìn)行🧑🏽‍🤝‍🧑🏻數值仿(páng)真研究，得(dé)出Ｔ形發⁉️生(sheng)體産生的(de)旋渦信号(hào)的強度要(yào)優于三角(jiǎo)柱發生體(tǐ)。
　　渦街流量(liang)計利用流(liú)體振動原(yuán)理進行流(liu)量測量［11］。選(xuǎn)取了應力(li)式渦街流(liú)量計進行(hang)研究。它通(tōng)過壓電檢(jian)測元件獲(huo)取電🔴壓頻(pin)率，再根據(jù)流體流量(liang)與渦街頻(pín)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(zhēn)實流場實(shi)驗中，但這(zhè)🚶需要重複(fú)更換口徑(jìng)、調節流量(liàng)，大大降低(dī)了工作效(xiào)❤️率。爲解決(jué)此問題，采(cai)用三維渦(wo)㊙️街流場數(shù)值分析的(de)方法對内(nei)部流場的(de)變化進行(hang)研究。
　　通過(guo)FLUENT軟件對三(sān)維渦街流(liu)場進行數(shu)值仿真，并(bìng)将不同流(liu)📞速⛱️下的㊙️升(shēng)、阻力系數(shù)進行比較(jiao)，驗證數值(zhi)仿真可行(hang)性。并通過(guo)改變管截(jié)面與截流(liu)面之間的(de)夾角，在低(dī)、中、高速流(liú)速下，進行(hang)取壓，最終(zhong)得🧡出随着(zhe)夾角💋的不(bu)同，信号強(qiang)度不同。夾(jiá)角在✏️1°～7°範圍(wéi)，對信号強(qiáng)度的🍉衰減(jiǎn)影響不大(da)，超過7°以後(hou)對信号強(qiáng)度影響變(bian)大，并随着(zhe)流速的增(zēng)加，趨勢越(yue)來越強。
2升(shēng)、阻力系數(shù)
　　旋渦脫落(luò)時，流體施(shi)加給柱體(ti)一個垂直(zhí)于主流的(de)周期性交(jiao)變作用力(li)，稱爲升力(li)［12］。由于柱體(ti)兩側交替(tì)的釋放旋(xuan)渦時，剛釋(shi)放完渦流(liu)的一側柱(zhu)面，擾流改(gǎi)善，側面總(zong)壓力降低(dī)；将🧑🏾‍🤝‍🧑🏼要釋放(fàng)渦流的另(ling)一側柱面(mian)🏃，擾流較差(chà)，側面總壓(ya)🤩力較大，從(cong)而形成一(yī)個作用在(zài)👨‍❤️‍👨三角柱上(shang)、方向總是(shì)指向剛釋(shì)放完渦流(liu)那一側的(de)作用力，所(suo)以升力的(de)交變頻率(lü)和旋渦的(de)脫落頻率(lü)一緻，升力(lì)的變化規(gui)律和旋渦(wō)的變化規(guī)律一緻，因(yīn)而通過監(jiān)視柱面上(shàng)的升力變(bian)化規律☂️，可(kě)以反映旋(xuan)渦脫落規(gui)律。阻力系(xi)數反映的(de)🐪是柱體迎(ying)流方向上(shàng)的作用力(li)變化情況(kuang)，每當柱體(tǐ)兩側不管(guan)哪一邊的(de)釋放旋渦(wō)一次，迎流(liu)方向上的(de)作用力都(dōu)會随壓力(li)變化🐆有規(gui)律地變化(huà)一次，因此(ci)，升👉力系數(shù)變化的一(yi)個周期内(nèi)，阻力系數(shu)變化爲兩(liǎng)個周期。
3三(sān)維渦街流(liú)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(shì)在ANSYS Workbench中建立(li)的三維渦(wo)街流量計(ji)幾何模型(xíng)。其中管🛀🏻道(dao)口徑50mm，管道(dào)長1000mm，旋渦發(fa)生體截流(liú)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(wang)格劃分，作(zuò)爲數值模(mo)拟的載💰體(ti)，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(shu)設置如下(xià)：
1）流體：空氣(qì)（ａｉｒ）；
2）湍流模型(xing)：Renormalization-group(RNG)ｋ－ε模型；
3）邊界(jie)條件
①流速(sù)入口邊界(jiè)：根據需要(yao)設置不同(tóng)流速、湍流(liú)動能和㊙️耗(hao)散率；
②壓力(li)出口邊界(jie)：零壓；
4）求解(jie)器：基于壓(yā)力的三維(wei)雙精度瞬(shùn)态求解器(qi)；
5）數值計算(suan)過程：SIMPLE算法(fa)。
3．3升、阻力變(biàn)化頻率的(de)計算結果(guǒ)及分析
圖(tú)3所示速度(dù)等值。三維(wéi)渦街流場(chǎng)在夾角爲(wèi)0°，入口流速(sù)💁爲5m/s的情況(kuàng)下的速度(du)等值線圖(tú)。

　　通過仿真(zhēn)模拟，圖4給(gei)出流速ｕ＝5m/s時(shí)，作用在三(san)角柱上的(de)升力系數(shu)和阻力系(xì)數變化曲(qu)線。由圖5升(sheng)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(shù)的ＦＦＴ曲線可(kě)🔞以看出其(qi)頻率爲ＦＤ＝176．43Ｈｚ，約(yue)爲升力系(xì)數變化頻(pin)率的2倍。



　　爲(wèi)了驗證将(jiang)FLUENT用于渦街(jie)流量計的(de)三維流場(chǎng)仿真的㊙️可(kě)行性，對不(bu)同流速下(xià)的升、阻力(li)頻率進行(háng)比較，如表(biǎo)1所示。可以(yǐ)看出阻🈲力(li)系🙇‍♀️數變化(huà)頻率是升(shēng)力系數變(bian)化頻率的(de)2倍，說明用(yong)FLUENT進行渦街(jiē)流量🤩計的(de)三維仿😘真(zhēn)是可行的(de)。

4仿真結果(guo)
　　基于上述(shù)通過升、阻(zǔ)力變化頻(pin)率的關系(xì)驗證出利(lì)用FLUENT對三維(wéi)🈲渦🚶‍♀️街流場(chang)進行仿真(zhēn)是可行的(de)。應用FLUENT對截(jié)😄流夾🤟角、流(liú)速和信号(hao)強度之間(jiān)的關系進(jin)行了仿真(zhēn)研究。分别(bié)取7m/s、40m/s和70m/s的流(liú)速，α的角度(du)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼在0°～10°範圍内(nei)取值（發生(sheng)體的安裝(zhuāng)偏差一般(ban)‼️不會超過(guo)10°），進行數值(zhí)仿真。記錄(lù)信号強度(du)，如表2所示(shi)。

　　将表2的數(shu)據繪制成(cheng)圖7，将圖7中(zhōng)流速爲7m/s的(de)數據放大(da)如圖8所示(shì)。觀察圖7、8，可(ke)以直觀的(de)反應出夾(jiá)角、流速與(yǔ)信号💃🏻強度(dù)⭐的關系變(bian)化。通過對(duì)比這3張圖(tú)可以看出(chū)✊，信号強💜度(dù)随着夾角(jiǎo)、流速的不(bu)同而不同(tong)。并從圖中(zhōng)得出結論(lùn)：
1）渦街的信(xin)号強度與(yu)流速成正(zheng)比，随着流(liu)速的增加(jiā)，旋渦🚶‍♀️脫落(luo)頻率信号(hao)強度會顯(xiǎn)著增加。
2）在(zai)流速相同(tóng)的情況下(xià)，随着夾角(jiao)的增大，信(xìn)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(xìn)号強度的(de)衰減影✨響(xiang)不大🍉，可忽(hū)略，超過7°以(yǐ)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(sui)着流速的(de)增大，信号(hao)強度衰減(jiǎn)趨勢越來(lái)越明顯。


5結(jié)論
　　流場仿(pang)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(tōng)過理論支(zhī)持指導仿(pang)真的可實(shí)施🛀🏻性，并将(jiang)仿真結論(lun)用于實驗(yàn)中，提高效(xiào)率。通過模(mó)拟三維渦(wo)街流場三(sān)角柱繞流(liú)現象，将升(shēng)、阻力頻率(lü)進行對比(bǐ)，驗證了可(ke)将♉FLUENT用于三(sān)維渦街流(liú)場的仿真(zhēn)中🤟。并從不(bu)同流🌈速和(hé)不同截流(liú)夾角兩方(fang)面分别考(kao)慮⚽，對比分(fèn)析了三☀️維(wei)渦街信号(hào)的信号強(qiang)度，得出夾(jia)角👈在1°～7°範圍(wei)，對信号強(qiang)度的影響(xiǎng)不大，超過(guò)了7°以後影(ying)響✉️變大。從(cóng)而爲以後(hòu)的💔實驗做(zuo)出理論指(zhǐ)🥵導♻️。進一步(bù)的研究可(kě)以通過對(dui)不同形狀(zhuang)的旋渦發(fa)生體取不(bú)同截流夾(jia)角和不同(tong)流速進行(hang)仿真對比(bǐ)研🏃究。

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