摘要：目(mù)前對于(yu)渦街流(liú)量計 漩(xuán)渦發生(shēng)體的位(wei)置研究(jiu)僅局限(xian)于二維(wéi)的仿真(zhēn)研究🚩，但(dàn)實際🆚流(liú)體撞擊(ji)漩渦發(fā)生體是(shì)流體三(san)維模型(xíng)。鑒于🌏二(er)維仿真(zhēn)并不能(néng)完全對(duì)實際流(liu)體撞擊(ji)漩渦發(fa)生體的(de)流場進(jin)行驗證(zheng)，采用數(shù)值仿真(zhēn)軟件平(píng)Ansys+Workbench+FLUENT，根據實(shí)際渦街(jiē)發生體(tǐ)的機械(xiè)尺寸建(jian)立相♻️應(yīng)的三維(wei)仿真模(mo)型。并對(dui)仿真模(mó)型進行(háng)網格細(xì)分，再通(tong)過N—s方🏃🏻‍♂️程(chéng)進行求(qiú)解計算(suan)，通過仿(pang)真與👨‍❤️‍👨在(zài)線實驗(yan)對比驗(yàn)證表明(míng)通過FIUENT軟(ruǎn)件對實(shí)際渦街(jie)流場進(jin)行仿真(zhēn)的可行(háng)性。最終(zhong)利用FLUENT軟(ruan)件，對不(bu)同流速(su)，通過調(diao)整發生(shēng)體平移(yi)的位置(zhi)最終确(que)定發生(shēng)體位置(zhì)對渦街(jie)信号的(de)影響，從(cóng)而确定(dìng)發生體(ti)允許最(zuì)大的平(ping)移位置(zhì)占。
1引言(yan)
　　随着渦(wo)街流量(liang)計在國(guó)内各行(hang)各業的(de)使用量(liàng)逐漸增(zeng)大，各♉高(gāo)校、研究(jiū)所和流(liú)量計生(sheng)産廠商(shang)的學者(zhe)和研究(jiū)人員㊙️也(ye)對此展(zhǎn)開了各(ge)方面的(de)研究，渦(wo)街流場(chǎng)的數值(zhí)仿真的(de)👣研究和(hé)實現也(yě)是其中(zhōng)一個重(zhòng)點]。
　　基于(yú)渦街流(liú)量計的(de)測量原(yuan)理渦街(jiē)發生體(ti)的設計(jì)要求就(jiù)尤爲重(zhòng)要，而在(zài)實際設(she)計生産(chǎn)當中不(bu)能保證(zheng)發生體(tǐ)的中心(xin)位㊙️置在(zài)管道的(de)中軸線(xiàn)上，發生(shēng)體與管(guan)道中軸(zhóu)線偏離(li)多少會(hui)對最終(zhōng)的測量(liàng)産生影(yǐng)🈲響需要(yào)重複更(gèng)換發生(shēng)體，操作(zuo)👈起來費(fèi)時費力(lì)。鑒于以(yǐ)上原因(yin)對進行(háng)對渦街(jie)發生體(ti)移動位(wèi)置進行(hang)仿真研(yan)究，通過(guo)仿真結(jié)果來指(zhǐ)導物理(li)實驗，并(bìng)根據物(wù)理實驗(yan)結果進(jin)一步完(wan)善⛱️傳感(gǎn)器結🛀構(gòu)。
2渦街流(liu)量計原(yuan)理
　　渦街(jie)流量計(ji)利用流(liu)體振動(dong)原理進(jin)行流量(liang)測量，在(zai)特定💛的(de)🔱流動條(tiáo)件下,流(liu)體-部分(fèn)動能轉(zhuǎn)化爲振(zhèn)動,其⚽振(zhen)動頻率(lü)與流速(sù)(流👄量)有(you)确定的(de)比例關(guan)系。1878年斯(si)特勞哈(ha)爾(Strouhal)發表(biǎo)了關于(yu)流體振(zhèn)動頻率(lǜ)與流速(sù)關系的(de)文章的(de)。渦街流(liu)量計的(de)基本原(yuan)理是:在(zai)與被測(cè)介質流(liu)向垂直(zhi)的㊙️方向(xiàng)放置--個(ge)非流線(xiàn)型旋渦(wō)發生體(tǐ)，當✊流體(tǐ)流過該(gai)旋渦發(fa)生體時(shi)，在發生(sheng)體後方(fāng)兩側交(jiao)🛀🏻替地分(fèn)離釋放(fàng)出🌈兩列(lie)規則的(de)交錯排(pai)列的旋(xuan)渦，稱爲(wèi)馮.卡爾(er)曼渦街(jie)們，如圖(tú)1所示。當(dāng)旋渦發(fa)生體右(you)(或左)下(xià)方産生(sheng)一個旋(xuán)渦後，在(zai)旋渦發(fa)生體上(shang)産生一(yi)個升力(li)。在旋渦(wō)發生體(tǐ)的後方(fang)安裝應(yīng)力式壓(ya)電傳🧡感(gǎn)器，可以(yǐ)将🏃‍♀️作用(yòng)在旋渦(wo)發生體(ti)上的升(shēng)力轉換(huan)爲電荷(hé)信号。該(gai)電荷信(xin)号的🏃🏻‍♂️變(biàn)化♉頻🌈率(lü)與旋渦(wo)的脫離(li)頻率一(yī).緻。通過(guò)檢測電(diàn)荷信号(hào)的⁉️變化(huà)頻☁️率，就(jiù)可以得(dé)到旋渦(wō)的分離(lí)頻率口(kou)。

3渦街流(liú)場模型(xing)分析
　　雷(léi)諾時均(jun1)方程的(de)方法求(qiu)解出來(lái)的是流(liu)動變量(liàng)的針💚對(duì)時間的(de)平均值(zhi).無法給(gei)出流場(chǎng)結構的(de)詳細信(xin)息，體現(xian)不出湍(tuān)流流動(dòng)的瞬時(shi)性特點(dian)。大渦模(mo)拟(LargeEddySimulation,LES)是近(jìn)代湍流(liú)研究中(zhōng),用計算(suan)機直接(jie)求解N-S方(fāng)程的一(yi)種方法(fǎ),它從空(kong)間的角(jiao)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻度對大(da)渦🙇‍♀️進行(háng)直接模(mó)拟，對小(xiǎo)😘渦進行(hang)模型化(hua)處理，從(cong)而使得(de)網格要(yao)求比DNS低(dī)。其基💞本(běn)思想是(shì);将流動(dòng)的區域(yu)分爲兩(liǎng)個部分(fèn):一部分(fen)是可通(tōng)過求解(jie)定常三(san)維N-S方程(chéng)獲得的(de)大尺度(du)渦旋流(liú)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻動⛷️部分(fen)，另一部(bu)分是不(bu)需要直(zhi)接計算(suan)可采用(yòng)通用模(mo)型獲得(dé)的小尺(chǐ)度部分(fèn)。
　　LES的控制(zhì)方程是(shì)對N-S方程(cheng)在波數(shù)空間或(huo)物理空(kong)間進行(hang)過☔濾得(dé)到的。過(guo)濾的過(guo)程是去(qu)掉比過(guò)濾寬度(du)或者給(gěi)定物理(lǐ)寬度小(xiao)的旋渦(wo)，從而得(de)到大旋(xuán)渦的控(kòng)制方程(cheng)㊙️。對于均(jun)😍勻湍流(liu),常用卷(juàn)積濾波(bō)定義變(biàn)量的大(da)尺度成(cheng)分:


　　爲了(le)直觀得(dé)到渦街(jiē)信号真(zhēn)實的流(liú)動曲線(xiàn)及流場(chǎng)♻️分布,本(ben)課題采(cǎi)用LES湍流(liu)模型來(lái)模拟渦(wō)街流場(chǎng)。在CFD-Post中.選(xuǎn)用二階(jie)迎風差(cha)分格式(shi)及SIMPLE算法(fǎ)”進行仿(pang)真。如圖(tú)2爲流體(tǐ)流✂️經三(san)角柱發(fa)生體時(shi)的流線(xian)圖，可以(yi)從圖中(zhong)清晰地(dì)看到旋(xuán)渦的産(chan)生、脫落(luò),以及渦(wo)街流量(liàng)計的👌工(gong)作流場(chang)。

4三(sān)維渦街(jie)流場仿(páng)真
　　通過(guò)FLUENT軟件對(dui)實際管(guǎn)道中的(de)流場進(jìn)行仿真(zhēn),其中在(zài)使用FLUENT設(she)置相🥵關(guān)參數時(shi)是根據(ju)實際管(guan)道中發(fa)生體的(de)尺👌寸進(jìn)✂️行配置(zhi),圖🈲3爲實(shi)際管道(dao)中發生(sheng)體在管(guan)道中平(píng)移後的(de)三💯視圖(tu)。

　　發生體(ti)中心線(xian)平行于(yú)基準軸(zhou)線。這種(zhǒng)情況下(xia)，會産✨生(shēng)位🙇🏻置偏(piān)差，平移(yí)距離記(jì)作δ。如圖(tú)4所示。

　　在(zai)Geometry中建立(lì)發生體(tǐ)中心線(xiàn)平行于(yu)基準軸(zhóu)線的三(san)維幾🌈何(hé)模⛱️型💛。如(ru)圖5所示(shi)。


　　可以從(cóng)圖7中看(kan)出即使(shi)發生體(ti)位置與(yǔ)理想位(wei)置存在(zài)偏差，仍(réng)然會出(chu)現旋渦(wō)脫落現(xiàn)象。并且(qiě)當發生(shēng)體上側(cè)的旋渦(wō)從産生(shēng)到脫落(luò)時.發生(shēng)體下側(cè)在爲旋(xuan)渦的産(chan)生做準(zhǔn)備，而不(bu)會産生(shēng)旋渦。同(tong)時當上(shàng)側旋渦(wō)離開發(fā)生體一(yi)段距離(li)以後，下(xia)側才開(kai)始出現(xiàn)旋🌈渦。
　　發(fa)生體在(zài)理想位(wèi)置時産(chan)生的旋(xuan)渦是交(jiāo)替排列(liè)的🈚，而發(fā)♈生體在(zài)中心線(xiàn)發生平(ping)移的情(qíng)況下，會(huì)根據δ的(de)不同使(shǐ)得旋渦(wō)脫落後(hou)朝中心(xin)線相對(dui)基準軸(zhou)線平♌移(yí)的方向(xiang)碰撞到(dào)管壁☁️。針(zhēn)對此現(xian)象對低(di)速(4m/s)、中速(sù)(40m/s)和🆚高速(sù)(70m/s)流速下(xia)進行仿(pang)真研究(jiū)，并将數(shù)據記錄(lù)到表1中(zhong)。

　　爲了更(geng)爲直觀(guān)地反映(yìng)出圖8中(zhong)不同流(liu)速下的(de)旋渦信(xin)🐪号強度(dù)随平移(yí)位置的(de)變化規(gui)律,現将(jiāng)表1中的(de)旋渦信(xin)号強度(dù)用表2的(de)偏移程(chéng)度來表(biǎo)示。

　　将表(biǎo)2中的數(shu)據繪制(zhi)成圖8。從(cóng)圖中可(ke)以看出(chū)信号強(qiang)度随着(zhe)偏👈移距(ju)離，流速(sù)的不同(tong)而不同(tong)。并且得(de)出以下(xià)結論:無(wú)論是低(di)速(4m/s).中速(su)(40m/s)、還是高(gao)速(70m/s)流速(su)下,随着(zhe)平移距(ju)離的增(zeng)加🈲，信号(hao)強度減(jiǎn)弱,偏移(yi)程😍度增(zeng)加。平移(yi)✔️距離越(yue)小，偏移(yí)程度越(yuè)小,随着(zhe)🌍平移距(jù)離🔞的增(zeng)加，平👈移(yí)距離與(yu)偏移程(cheng)度近似(si)于平方(fang)關系。
　　通(tong)過觀察(cha)低速(4m/s)、中(zhōng)速(40m/s)和高(gāo)速(70m/s)流速(sù)下渦街(jie)流場中(zhōng)旋💋渦的(de)産生-脫(tuo)🐆落圖，可(kě)以發現(xiàn)，當平移(yí)距離較(jiao)小時，會(hui)在發生(sheng)體尾部(bù)生成❓兩(liang)列規則(zé)排列的(de)旋渦。繼(jì)續增加(jiā)偏移距(jù)離，會出(chū)現旋渦(wo)發生體(ti)尾部🔞産(chǎn)生交替(tì)排列的(de)旋渦向(xiàng)發生體(ti)尾部産(chǎn)生的旋(xuan)渦碰撞(zhuang)到管壁(bi)㊙️的過渡(du)點。流速(su)爲4m/s時，過(guo)渡點在(zai)0.3d處;流速(su)📞爲40m/s和70m/s時(shí)，過渡☔點(diǎn)在0.4d處。也(ye)就是說(shuo)，當流速(su)爲4m/s,平移(yí)距離爲(wei)0.3d、0.4d和0.5d時，發(fa)生體産(chan)生的🔆旋(xuán)渦會碰(pèng)撞到管(guan)壁;當流(liu)🤞速爲40m/s或(huo)70m/s,偏移距(ju)離爲0.4d和(hé)0.5d時，發生(sheng)體産生(shēng)的旋渦(wō)會碰撞(zhuang)到管壁(bi)。
5仿真與(yu)實際流(liu)速對比(bǐ)
　　實驗室(shì)使用50mm口(kou)徑液體(tǐ)流場進(jìn)行實驗(yan)其中實(shí)驗裝置(zhi)如圖9所(suǒ)示,由于(yú)限制本(běn)實驗主(zhǔ)要針對(duì)低流速(su)下進行(hang)實驗🏃仿(páng)真對比(bi)♉。

　　渦街流(liú)量計安(ān)裝在閥(fá)門的下(xia)遊,由于(yu)閥門上(shàng)遊連接(jie)的，水箱(xiang)在水泵(beng)不斷送(song)水的狀(zhuang)态下一(yi)-直呈溢(yi)出狀态(tài)🌈，因此🌏可(ke)認爲上(shang)🏃🏻‍♂️遊水🛀🏻箱(xiāng)的液位(wei)是穩定(ding)的。實驗(yan)中通過(guo)調節閥(fa)門的開(kāi)度達到(dào)控制回(hui)⭐路中流(liú)量大小(xiǎo)，同時與(yu)仿真中(zhong)的流速(su)進行對(dui)比，其中(zhong)㊙️δ爲發生(shēng)體平移(yí)距離。

6結(jie)論
　　流場(chǎng)仿真在(zài)渦街流(liu)量計傳(chuán)感器設(shè)計以及(jí)優化傳(chuan)感器♋設(she)計變得(dé)越來越(yuè)重要,它(ta)通過理(lǐ)論支持(chí)指導仿(pang)真的可(ke)實施性(xìng)，并将仿(pang)真結論(lun)用于實(shí)驗中,大(da)大縮短(duan)了🔞設計(ji)周🔴期。
　　通(tōng)過模拟(nǐ)三維渦(wo)街流場(chǎng)以及渦(wō)街流量(liàng)計的漩(xuán)渦發生(shēng)體,通過(guò)⭕改變發(fa)生體與(yu)管道基(jī)準軸的(de)距離從(cóng)而得到(dào)不💛同的(de)漩渦🔞信(xìn)号,通過(guò)仿真與(yǔ)實際管(guan)道流體(ti)的實驗(yàn)對比可(ke)以看出(chu),在發生(sheng)體中心(xin)線相對(dui)于基準(zhun)軸線發(fa)生平移(yí)的情況(kuàng)下，渦街(jie)流場的(de)旋渦信(xìn)号強度(dù)是流體(tǐ)流速和(he)平✨移距(jù)離的共(gòng)🔞同作用(yong)結果,同(tong)時在發(fā)生體偏(pian)離中心(xin)軸在🔞0.05d以(yi)内則不(bu)影響🚶渦(wo)街流量(liang)計的最(zui)終測量(liàng)精度,這(zhè)爲實際(jì)🔞設計發(fā)生體做(zuo)出理論(lun)指導。

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