摘要(yao):通過FLUENT對典(diǎn)型的渦街(jiē)流量計 在(zai)低溫流體(tǐ)中的卡門(mén)渦街流場(chǎng)特性進行(háng)理論分🔞析(xi)和數值仿(pang)真,并與常(cháng)溫工況下(xia)的渦街流(liú)場進行比(bi)較🌍,分析低(di)溫流體的(de)旋渦分離(li)過程,得出(chū)流量與渦(wō)街分離頻(pín)率的對應(yīng)關系。研究(jiū)表明,數值(zhí)仿真方法(fa)成本低,适(shi)于模拟複(fu)雜流場,爲(wei)低溫渦街(jie)流量計在(zài)渦街發生(sheng)體形狀和(hé)壓電振動(dòng)傳感💛器采(cai)樣位置的(de)設計與優(yōu)化提供理(li)論依據☀️。.
1引(yin)言
　　渦街流(liú)量計具有(you)儀表系數(shu)穩定、瞬時(shí)流量測量(liang)正确、量程(cheng)範圍寬、壓(ya)力損失小(xiǎo)、結構和檢(jian)測方式組(zu)合📱多樣👌、便(biàn)于安裝維(wéi)護㊙️等諸多(duo)特點，在流(liú)量測量領(ling)域占有重(zhong)要地位。常(cháng)溫下的渦(wō)街流量計(jì)🔆技術已經(jing)相當成熟(shu)，至今已發(fā)展爲多種(zhong)旋🚶渦發生(shēng)體形式及(ji)不同檢測(cè)方法，系列(lie)化的産品(pǐn)應用于各(ge)種工業領(lǐng)域。但用于(yú)低溫(特♌别(bié)是超低溫(wēn),如液氫、液(ye)氧、液氮‼️)流(liu)體❌測量的(de)渦💰街流量(liàng)計才剛剛(gāng)起步，國外(wài)已在近期(qi)開📐展了研(yan)究,在國外(wài)航天領域(yù)的低溫流(liu)體流量測(ce)量🔞中使用(yòng)效果良好(hao)，并逐步有(yǒu)産品推向(xiang)市場。目前(qian),中國國内(nei)少有低溫(wēn)🐇渦街流量(liàng)計的産品(pǐn)和💛文獻系(xi)統🏒報導。
　　在(zai)超低溫下(xià)，信号感測(cè)器靈敏度(dù)下降,因此(cǐ)必須産生(sheng)更加強烈(lie)穩定的旋(xuan)渦,才能提(ti)高信噪比(bi),滿足精度(du)要❓求。此外(wài)，液氫、液氧(yang)和液氮等(deng)低溫流體(tǐ)的物性極(ji)爲特殊,其(qí)黏度極低(dī),極易産💜生(shēng)空穴。衆所(suǒ)周知,旋渦(wo)發生體形(xing)狀和檢測(ce)位置對渦(wo)街流量🧡計(ji)的測量質(zhi)量影響很(hen)大，,但是受(shòu)檢💁測條件(jiàn)和手段的(de)限制，難以(yǐ)對其影響(xiǎng)進行有效(xiao)評價。利用(yong)計算流體(tǐ)力學(CFD)數值(zhí)仿真的方(fang)法模拟不(bú)同旋渦發(fā)生體渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器内部流(liu)場,進而确(que)定旋渦發(fā)生體形狀(zhuang)以及檢測(ce)點位置,對(duì)渦街流量(liang)傳感器的(de)優化具有(yǒu)重要的指(zhi)導意義。本(ben)文根🌈據低(di)溫流體(以(yi)液氮爲例(lì))的物性🔱參(can)數和流體(tǐ)力學理論(lùn),對低溫渦(wo)街的流場(chang)進行理論(lùn)計算和數(shu)值仿真,分(fen)析🙇‍♀️低溫流(liu)體渦街的(de)産生過程(cheng),對比低溫(wen)渦街和常(cháng)溫渦街流(liu)💋場分布的(de)異同,爲♊低(di)溫渦街流(liu)量計的設(she)計和優化(huà)提😄供理論(lun)依據。
2低溫(wēn)渦街特性(xìng)理論分析(xī)
2.1渦街流量(liàng)計的工作(zuò)原理
　　在流(liu)體中設置(zhi)旋渦發生(sheng)體,就會從(cóng)旋渦發生(shēng)體兩.側交(jiāo)⛷️替🏃‍♀️地産生(sheng)有規則的(de)旋渦,這種(zhong)在旋渦發(fā)生體下遊(you)🛀🏻非對㊙️稱排(pai)列的旋渦(wo)⁉️列即卡門(men)渦街。根據(jù)卡門渦街(jiē)原理,旋渦(wo)頻率ƒ有💰如(rú)下關系式(shi):
 
　　式中:ƒ爲旋(xuan)渦頻率,Hz;Sr爲(wèi)斯特勞哈(ha)爾數,無量(liàng)綱,與旋渦(wō)發生體🌈形(xing)狀及雷諾(nuo)數Re有關,在(zài)Re=2×104-7x106範圍内可(ke)視爲常數(shu)，例如三角(jiao)柱發生體(tǐ)💃🏻的斯特勞(lao)哈爾數爲(wèi)Sr=0.16;V爲測量管(guǎn)内被測介(jie)質的平均(jun1)流速，m/s;m爲發(fā)生體兩🌈側(cè)弓形流通(tōng)面積之和(hé)與測量管(guǎn)的橫街面(mian)積之比,計(jì)算如下:
 
　　式(shì)中:D爲渦街(jie)流量計管(guan)道口徑,m;d爲(wèi)旋渦發生(shēng)體迎流面(mian)寬度💘,m,對于(yú)三角柱發(fa)生體而言(yan),d=0.28D。
　　渦街流量(liàng)計的儀表(biao)系數K:
 
　　式中(zhōng):K爲渦街流(liu)量計儀表(biǎo)系數,m-3;qv爲管(guǎn)道内被測(ce)介質的體(tǐ)積流量✊,m³/s。
　　可(kě)見儀表系(xì)數K與旋渦(wō)發生體、管(guan)道的幾何(hé)尺寸及斯(sī)特勞哈爾(ěr)數Sr有關。但(dàn)在Sr可視爲(wèi)常數的雷(léi)諾數範圍(wei)内,K就隻與(yǔ)旋渦發生(shēng)體形狀和(hé)管道幾何(hé)尺寸有關(guan),因此渦街(jie)流量計輸(shū)出的脈沖(chòng)頻率信号(hào)不受流體(ti)物性和♻️組(zu)分變化的(de)影響，隻要(yào)正确測得(de)旋渦頻率(lǜ)ƒ,就可正确(que)得知被測(cè)流體的流(liú)速U和體積(ji)流量qv,給.信(xin)号的測量(liàng)提供了依(yi)據。
2.2低溫渦(wō)街流量與(yu)頻率特性(xing)
　　圓管傳輸(shū)流體的雷(lei)諾數Re爲:
 
　　式(shi)中:ν爲流體(ti)運動黏度(du),m/s。
　　渦街流量(liang)計測量液(yè)體的最低(dī)流速一般(bān)≥0.3m/s,最大流速(su)應≤7m/s。以口徑(jing)100mm的渦街流(liú)量計爲例(lì)，在測量液(ye)氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其雷(lei)諾數Re的上(shang)下限爲:1.53x105≤Re≤3.58x106，滿(man)足斯特勞(láo)哈爾數Sr可(kě)視爲常數(shu)的雷諾💁數(shu)範圍。因此(cǐ),渦街流量(liàng)計的特性(xìng)在原理上(shàng)也可以适(shì)♌用于液氮(dàn)的低溫工(gōng)況流量測(cè)量。
　　依據式(shì)(3)可以計算(suan)出口徑100mm的(de)渦街流量(liàng)計的儀表(biao)系數K=1123m-3.
3低溫(wen)渦街的流(liu)場仿真模(mo)型建立.
3.1FLUENT在(zai)渦街仿真(zhēn)中的應用(yòng)
　　計算機高(gao)性能運算(suàn)的不斷提(ti)高使計算(suàn)流體力學(xue)(CFD)技術更加(jia)實用,越來(lái)越完善的(de)流體計算(suàn)模型開始(shi)被商業化(hua)的CFD軟件所(suo)采用🐉，如FLUENT集(ji)成了衆多(duo)湍流模型(xing)、LES模型JDES模型(xíng)、化學反應(yīng)模型、多相(xiàng)流模型等(děng)研究成果(guǒ)。近年，在渦(wo)街流量計(ji)設計和優(yōu)化中,越來(lai)越多的采(cǎi)🆚用了FLUENT等CFD軟(ruan)件進行數(shu)值仿😄真,大(da)大節省了(le)開發成本(ben)和周期,并(bìng)且對其内(nei)部流場有(yǒu)了更加深(shen)刻和直觀(guān)🎯的理解。
　　通(tong)過兩維渦(wo)街流場的(de)仿真,研究(jiu)了雷諾數(shu)和剪切率(lǜ)對渦結構(gòu)的影響。通(tōng)過FLUENT對渦街(jie)流量計流(liu)場進行💞了(le)數值仿真(zhēn),據此優化(hua)設計渦街(jiē)流量計結(jié)構，選取取(qǔ)壓位置。研(yán)究👅旋渦發(fā)✂️生體前☁️後(hou)壓差與流(liu)速之間的(de)關系，提出(chū)了利用單(dān)一差壓傳(chuan)感器測量(liang)質量流量(liang)的新方法(fǎ)。通過FLUENT對梯(tī)形發生體(tǐ)與T形發生(shēng)體的渦街(jiē)流場進行(háng)💯模拟對比(bi)研究,并得(dé)到了檢測(cè)點位置。以(yi)上研究❄️者(zhe)的工作表(biao)明,利用FLUENT仿(pang)真🚶能夠較(jiào)真實的反(fǎn)映渦街流(liú)量計的内(nèi)部流場特(tè)性,在渦街(jie)流量計的(de)開發過程(chéng)中扮演越(yue)👣來越重要(yao)的角色。
3.2建(jian)模與網格(ge)劃分
　　渦街(jiē)流量計的(de)二維仿真(zhēn)結構模型(xíng)如圖1所示(shì),管道💃🏻口徑(jìng)爲D=100mm,三角🈲柱(zhu)旋渦發生(sheng)體迎流面(miàn)寬度d=28mm,頂角(jiǎo)θ=19°,符合該管(guan)道口徑下(xià)🌈的行業标(biāo)準。渦街流(liu)量計的網(wang)格劃分采(cǎi)用四邊形(xing)結構化網(wǎng)格,根據區(qu)域的不規(gui)則程度和(hé)流場⭐的複(fú)雜程度對(duì)不同子區(qū)域進行分(fen)别劃分。
 
3.3求(qiú)解條件設(shè)置
　　爲了能(néng)夠計算得(de)到流場的(de)正确解,必(bì)須給定合(he)理的邊界(jiè)條件和流(liú)體物性,并(bìng)選擇合适(shi)的求解器(qì)和計算模(mo)型。渦街流(liú)場📱爲非定(dìng)常流動，雷(lei)諾數較高(gao),對渦街流(liu)場仿真的(de)求解條件(jian)如表1設置(zhì)。
 
4仿真結果(guǒ)分析
4.1低溫(wen)渦街的形(xíng)成過程
　　圖(tú)2表示了一(yi)個旋渦形(xíng)成周期T内(nèi)不同時刻(kè)的渦街二(er)維🆚流場圖(tu),直觀反映(ying)了渦街的(de)形成、脫落(luò)過程。可以(yǐ)看到邊界(jiè)層♌在渦街(jie)發🍉生體的(de)兩側平行(hang)棱邊開始(shǐ)減速增壓(ya)運💞動,并伴(bàn)有倒流現(xiàn)象。倒流沿(yán)着壁面🏒向(xiang)後伸展❤️使(shi)邊界層明(ming)顯增厚,同(tóng)時旋渦的(de)尺寸不♻️斷(duan)增大。當旋(xuan)渦增加到(dao)一🏒定程度(dù)後,就🔞從發(fā)生體上脫(tuo)落分離，随(sui)着🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流體向(xiàng)下遊運動(dong),形成振蕩(dang)尾流。在旋(xuán)渦的中心(xīn)形成低壓(ya)區,會随着(zhe)旋渦的交(jiāo)替産生和(hé)⚽脫落過程(chéng),在流場中(zhōng)形成周期(qi)性變化的(de)壓力場,壓(yā)力場的變(biàn)化頻率與(yu)旋渦脫❄️落(luò)頻率--緻。壓(ya)電式渦街(jiē)流量計即(ji)是通過檢(jiǎn)測流場内(nèi)振蕩尾流(liu)中特定⭕點(diǎn)處的壓力(li)變化頻率(lǜ)來測定流(liu)速。
 
4.2低溫渦(wo)街仿真結(jié)果正确率(lǜ)驗證
　　由于(yú)低溫渦街(jie)試驗條件(jian)受限,低溫(wēn)渦街仿真(zhēn)結果和理(lǐ)論計算🔞值(zhí)與相同結(jie)構尺寸的(de)常溫渦街(jiē)流量計在(zài)水介質中(zhong)的校驗數(shù)據進行比(bi)對。如圖3所(suǒ)示,試驗與(yǔ)仿真曲線(xiàn)的線性度(du)都很好，而(ér)且♈低溫介(jiè)質與❗常溫(wen)介質的數(shu)據比👅較一(yi)緻,驗證了(le)斯特勞哈(ha)爾數St與儀(yi)表系數K不(bú)随介質與(yu)♍溫度影響(xiǎng)的特性。分(fen)析結🔴果可(kě)知:渦街流(liu)量計儀表(biao)系數的試(shi)驗值與理(lǐ)💁論計算值(zhí)之間的相(xiang)對❄️誤差在(zai)3%之内;仿真(zhen)值與試驗(yàn)值之🏒間的(de)相對誤差(chà)在5%之内,說(shuo)明所采取(qǔ)的仿真方(fang)法比較正(zheng)确,驗✔️證了(le)FLUENT數值仿真(zhen)技術用于(yú)低溫渦街(jie)流量🎯計流(liu)場仿真的(de)可♊行性。
 
4.3低(dī)溫渦街與(yu)常溫渦街(jiē)的流場分(fèn)布對比
　　圖(tu)4比較了低(di)溫渦街與(yu)常溫渦街(jiē)的流場分(fèn)布,由于液(yè)氮的粘度(du)📐比水低很(hen)多,流體内(nèi)部的分子(zi)間引力和(he)碰撞較弱(ruò)，流體間的(de)相🐪對運動(dòng)阻力較大(dà)，造成低🏒溫(wen)渦街的流(liu)場中速度(dù)梯度較大(dà),表現爲旋(xuán)渦尺寸比(bǐ)常溫工況(kuàng)下的旋🚶‍♀️渦(wo)小。因此，相(xiàng)比常溫下(xia)壓電傳🌈感(gǎn)器的安置(zhi)✉️位置而言(yan)，檢測振蕩(dàng)尾流♌中旋(xuan)渦列的低(di)溫渦街的(de)🤞傳感器就(jiu)要更靠近(jin)渦街發生(sheng)體,這在設(shè)計低溫渦(wō)街流量計(jì)時必須特(tè)殊考慮。
　　能(néng)量的相對(dui)集中導緻(zhi)了壓力梯(ti)度(主要爲(wèi)動壓)也比(bi)較大。但必(bi)須注意到(dao)，在旋渦發(fa)生體前後(hòu)的壓差使(shǐ)液體介質(zhi)釋放出氣(qi)體而在渦(wo)街發生體(ti)末端附近(jìn)産.生空穴(xue),這在低溫(wen)工況下尤(yóu)爲嚴重。因(yin)此,必須在(zài)渦街流量(liàng)計下遊設(shè)置背壓以(yi)避免空化(hua)現象的影(yǐng)響。同時也(yě)說明了采(cai)用安置在(zài)渦街發生(shēng)體上測🌏量(liàng)交變壓差(cha)或壓力脈(mo)動的測量(liang)方法,并不(bu)适😄用于低(dī)溫工況下(xia)的渦😄街信(xìn)号檢測。
5結(jié)論
(1)通過對(duì)低溫渦街(jiē)流場的CFD仿(páng)真模拟,圖(tú)示了低溫(wen)渦🥰街的形(xing)成和脫落(luò)過程,便于(yú)更好地分(fen)析和理解(jie)渦街特性(xing)。
(2)分析渦街(jiē)流量計儀(yi)表系數的(de)理論計算(suan)數據、試驗(yan)數🌈據🐇與仿(páng)真💔數據,驗(yan)證了将FLUENT數(shù)值仿真技(ji)術用于渦(wo)街流量計(ji)内部流場(chǎng)分析的有(yǒu)效性,可以(yǐ)作爲渦街(jiē)流量計的(de)優化設計(jì)的理論指(zhǐ)導依據。
(3)對(duì)低溫渦街(jiē)和常溫渦(wo)街的流場(chang)分布進行(hang)對比,從💁低(di)黏⁉️度流✍️體(tǐ)介質物性(xìng)的角度解(jiě)釋了低溫(wēn)渦街流☁️場(chǎng)的特殊性(xìng),并對低🔞溫(wēn)渦💛街壓電(dian)傳感器位(wei)置設置提(ti)出了有益(yì)建議。

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