摘要：通常(cháng)大口徑管道的(de)流體流速較低(di),根據渦街流量(liang)計 原理,其産生(sheng)的渦街信号頻(pin)率和幅值也很(hen)低、傳統的懸臂(bì)粱式渦街探頭(tóu)在大口徑管道(dao)上應用時,由于(yu)其相對管道中(zhōng)軸線的🌈距離更(geng)遠,受管道振動(dòng)的影響更大,無(wú)法很好地進行(hang)測量采用💃數值(zhí)仿真軟件平台(tai)Ansys+Workbench+Fluent對大口徑渦街(jie)流量計 管道發(fa)生體處的流場(chǎng)特性進行了分(fen)析根據分析得(dé)出的結論結合(hé)大口徑管道發(fā)生體的機械特(tè)性,提出了位于(yu)發生體處基于(yu)差壓原理的旋(xuán)渦頻率♊檢測方(fang)案。
　　大口徑渦街(jiē)流量計(指管道(dào)直徑超過300mm)主要(yao)用于工業管道(dao)中天然氣、蒸汽(qì)、氮氣、氫氣、空氣(qi)等介質的流量(liang)計量。例如：“西氣(qì)東輸”、“俄氣南下(xia)”等工程中需要(yao)用🏃🏻到大量的大(da)口徑渦街流垣(yuan)計進行流量計(ji)量。
　　國内外對于(yú)渦街流量計的(de)研究主要集中(zhong)在中小口🧑🏽‍🤝‍🧑🏻徑,對(dui)🌈于大🔴口徑渦街(jiē)流量計的研究(jiū)很少。本課題的(de)主要來源是作(zuò)者所在♋的課題(tí)組在現場調試(shi)傳統懸臂式渦(wō)街🤟流量計時發(fā)現當管道口徑(jìng)超過250mm時,提取到(dào)的☂️渦街信号波(bo)形嚴重失真。對(dui)懸臂式渦街探(tan)進行改進,增加(jia)探頭的插入深(shēn)度,又極易引起(qi)共🈚振,帶來更大(dà)的🔆幹擾信号因(yīn)此,需要研究新(xīn)的🔞旋渦頻率檢(jian)測🥵方案。
1渦街流(liu)量計工作原理(lǐ)
　　渦街流量計利(lì)用流體振動原(yuan)理進行流量測(ce)量,在🌈特定的😍流(liú)動條件下,流體(tǐ)一部分動能轉(zhuǎn)化爲振動🔅,其振(zhen)動頻👌率與流速(sù)(流量)有确定的(de)比例關系。基本(běn)💁原理是🌈_2]：在與被(bèi)測介質流向垂(chui)直的方向放置(zhì)一非流線型旋(xuan)渦發生體,當流(liú)體流過該旋渦(wo)發生體時☎️,在發(fa)生體阻擋面後(hòu)方兩側交替地(di)分離釋放出兩(liang)📞列規則的交錯(cuo)排列的旋渦,稱(chēng)爲馮·卡爾曼渦(wō)街,如圖1所示。

旋渦脫落頻(pin)率f與發生體兩(liang)側的平均流速(su)V之間存♋在如❌下(xià)🐉關系式

　　式中,S爲(wei)斯特勞哈爾系(xi)數；d爲發生體迎(ying)流面的寬度,單(dan)化爲m。斯特勞哈(ha)爾系數在很寬(kuan)的一段雷諾數(shu)範圍内可保持(chi)不☔變。因此測得(de)頻率就能得到(dào)流速。
2大口徑管(guǎn)道渦街流場仿(páng)真
　　ANSYSWorkbench仿真協同平(píng)台是通過對産(chǎn)品研發流程葉(ye)1仿真環境的開(kāi)🈲發與實施,搭建(jiàn)一個集成多學(xué)科異構CAE技術的(de)仿真系⛱️統,使得(dé)整個建模、仿真(zhen)、分析、前後處理(li)無縫鏈接。
　　FLUENT軟件(jiàn)運用CFD軟件群的(de)思想,具有許多(duō)優化的理模型(xing)💘。同時采⛱️用r多⭐種(zhǒng)求解,『法和多重(zhòng)『舣1絡加速收斂(liǎn)技術,以此來達(dá)到最佳的收斂(liǎn)精度FLUENT可以很舭(bi)的州測到内部(bù)流場的變⚽化,通(tōng)過🌂仿真結果來(lai)指物理實驗、
2．1幾(jǐ)何模型的建與(yu)網格劃分
　　利用(yòng)ANSYSWorkbench—Geometry和ANSYSWork—bench—Mesh作爲FLUENT的前處(chu)理模塊,對所研(yán)究的流場進行(hang)幾何建模和網(wang)格劃分。在Geometry中建(jiàn)立大口徑管道(dào)二維幾何模型(xing),如圖2和圖3所示(shi)。

　　旋渦産(chǎn)生于發生體處(chù),故将發生體處(chù)的網格細化,選(xuǎn)用三角形網格(gé),大小爲6mm。’爲節省(shěng)計算資源将前(qián)後兩部分的網(wǎng)格設置爲四邊(bian)形網格,大小爲(wèi)24mm。整個網格劃分(fen)4所示。總網格數(shù)爲139194,網格質量很(hěn)好。

2．2FLUENT仿真參(cān)數的設
将Mesh中劃(huà)分好的網格文(wen)件導入FLUENT,進行計(jì)算設置FLUENT的仿🐉真(zhēn)💯參🥵數如👅下：
1)求解(jiě)器(solution)：基于壓力的(de)二維雙精度瞬(shùn)态(Transient)求解器。
2)流體(tǐ)：空氣,密度1．225kg/rn3,運動(dong)粘度1．7894xl0-5m2/s。
3)邊界條件(jian)(Boundarycondition)：人口,流速入口(kǒu)(veloci—ty—inlet),根據需要設置(zhì)不同的流速；出(chū)口,壓力出口(pres—sure—outlet),零(líng)壓。
4)非穩态計算(suàn)時間步長(timestepsize)：時間(jian)步長取決的網(wang)格大小ΔX與流速(sù)V。一般取時間步(bu)長T=ΔX/V,根據波形再(zài)作适當的調整(zhěng)
5)湍流模型：RNGK—?模型(xing)。
6)監測點：監測參(can)數爲渦街靜态(tai)壓力(Ve~exAverageStaticPressure),具體位置(zhì)如圖5所示。差壓(yā)傳感器放置位(wèi)置爲将發生體(ti)的三角形邊三(sān)等分。

2．3仿真數據(ju)記錄
　　将氣體流(liú)速分别設置爲(wèi)5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。運行100步之後,波(bo)形呈現周期性(xìng)。空氣🈲流🔴量爲5m/s時(shí)渦街流場的靜(jìng)壓、速度參數的(de)分布🔅情況🐉如圖(tu)6所示🔴。對穩⛱️定後(hou)的波形作傅裏(li)葉變換,如圖7所(suǒ)示。

表1～表5依(yi)次爲氣體流速(sù)爲5m/S、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s時不同取壓(ya)位置的信号記(ji)錄。


2.4數據分析
　　從(cong)表1～表5中我們可(ke)以看出,當取壓(yā)位置位于發生(shēng)體後🔞時,同一流(liú)速下,壓力最大(da)的點位于發生(sheng)體後1.5d處,即P3處；當(dang)取🙇🏻壓位置位于(yú)發生體處時,同(tong)一流速下,壓力(li)變化不大,隻有(yǒu)PD3明顯小于PD2和PD1。爲(wei)了兼顧到渦街(jiē)信号的穩定性(xing),應盡量将差壓(ya)傳💔感器安裝💜在(zai)離發生♻️體迎流(liu)遠的位置,因此(cǐ)取PD2處。不同流速(su)下P3和PD2處的壓力(lì)對比,如圖8所示(shi)。

由圖8中曲線可(ke)知,PD2處的壓力明(ming)顯大于P3處,且其(qi)值越‼️爲4倍關系(xi)♻️。
3試驗結論
　　大口(kǒu)徑渦街信号發(fā)生體的尺寸通(tōng)常很大,所以其(qí)結構爲鋼闆拼(pin)接的中空結構(gou)。發生體的沿管(guan)道方向的長度(dù)較長,足以保證(zheng)渦街信号穩定(dìng)形成。且由上面(mian)仿真的結論可(kě)知PD2處的渦街信(xin)号強度爲P3處的(de)4倍左右。因此,本(ben)文提出了如圖(tú)🌐9所示的漩渦頻(pin)率檢🔞測裝置。

　　進(jìn)一步的研究還(hai)需要制作旋渦(wō)發生體實物,在(zài)實際的大口徑(jing)🔴管道上驗證方(fang)案的可行性,測(ce)試其抗振動性(xìng)、重複性等。

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