1 引言
   随(suí)着計算(suàn)機技術(shu)、數值計(ji)算技術(shu)的發展(zhǎn)，現代模(mó)拟仿🏃‍♂️真(zhēn)技🙇‍♀️術🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計(jì)算流體(ti)力學（computational　fluid　dynamics，CFD）也(ye)随之而(ér)生。它是(shì)對純理(li)論和純(chún)實驗方(fāng)🏃法很好(hao)的促進(jìn)和補充(chōng)。CFD作爲一(yi)門新興(xìng)學科，它(ta)力求通(tong)過數值(zhi)實驗替(ti)代實物(wù)實驗，采(cai)用虛拟(ni)流場來(lai)模拟真(zhen)實流場(chǎng)内♌部的(de)流體流(liú)動情況(kuang)，從而使(shi)得實驗(yan)研究更(geng)加方便(biàn)，研究場(chǎng)景更加(jia)豐富🔞可(kě)編程。
FLUENT軟(ruan)件提供(gòng)了多種(zhǒng)基于非(fei)結構化(huà)網格的(de)複雜物(wu)理模🈲型(xíng)，并針對(dui)不同物(wu)理問題(tí)的流動(dong)特點創(chuàng)建出不(bu)同的數(shù)值🤞解法(fǎ)。用戶可(kě)根據實(shi)際需求(qiú)自由選(xuǎn)擇，以便(biàn)在計算(suàn)速度、穩(wěn)定性和(he)精度等(deng)方面達(dá)到最佳(jiā)，提高設(she)計效率(lü)。
  關于渦(wō)街流量(liàng)計 的發(fā)生體數(shu)值模拟(nǐ)研究，主(zhǔ)要集中(zhōng)在渦街(jie)發生體(ti)🧡形狀👄和(he)尺寸上(shàng)。Yamasaki指出發(fā)生體的(de)形狀與(yǔ)幾何參(cān)數和渦(wo)街流量(liang)計的流(liu)量🤩特性(xìng)（儀表系(xì)數、線性(xìng)度、重複(fu)性、測量(liang)範圍）與(yu)阻力特(tè)性存在(zài)相當大(dà)的關聯(lian)關系。S.C.Luo等(děng)人研究(jiu)旋渦發(fa)生體尾(wěi)緣形狀(zhuàng)以及迎(yíng)流角度(dù)對渦街(jie)性能的(de)影響，在(zài)風洞和(he)水槽實(shi)驗中，得(de)出在全(quán)長相等(děng)的情況(kuang)📞下，旋渦(wo)強度随(sui)尾緣夾(jiá)角的增(zēng)大而減(jian)☁️小。彭傑(jie)綱等人(rén)在☀️50mm口徑(jing)管道氣(qi)流量實(shi)驗中，通(tong)過對🚶不(bú)同尾緣(yuán)夾角角(jiǎo)度🎯的旋(xuan)渦發生(shēng)體進✂️行(hang)實驗研(yán)究，得出(chū)旋渦發(fā)生體尾(wei)緣的夾(jiá)角爲41.8°時(shi)具有很(hěn)好🤟的線(xiàn)📞性度。賈(jiǎ)雲飛等(deng)人通過(guò)對🎯二維(wéi)渦街流(liú)場中的(de)壓力場(chǎng)進行數(shù)值仿真(zhen)研究，得(dé)出T形發(fā)生體産(chan)生的旋(xuán)渦信号(hao)的強度(du)要優于(yú)三角柱(zhu)發生體(ti)。
    渦街流(liú)量計利(li)用流體(tǐ)振動原(yuan)理進行(hang)流量測(ce)量。選取(qǔ)了🏃‍♂️應力(lì)式渦街(jiē)流量計(jì)進行研(yan)究。它通(tōng)過壓電(diàn)檢📐測元(yuán)💔件獲取(qǔ)電壓頻(pin)率，再根(gēn)據流體(ti)流量與(yu)渦街頻(pín)率成正(zheng)🧡比得出(chu)被測流(liú)量。在過(guo)去的渦(wo)街流量(liang)計研究(jiū)中，一直(zhí)将研究(jiu)重點放(fàng)在真實(shi)流場實(shi)⛱️驗中，但(dan)這需要(yào)重複更(geng)換口徑(jing)、調節流(liú)量，大大(dà)降低了(le)工作效(xiao)率。爲解(jie)決此問(wèn)題，采用(yòng)三維渦(wo)街流場(chang)數值分(fèn)析的🔞方(fang)法對内(nei)部流場(chǎng)的變化(hua)♉進行研(yán)究。
    通過(guò)FLUENT軟件對(duì)三維渦(wo)街流場(chǎng)進行數(shù)值仿真(zhen)，并将不(bú)同流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼速(sù)下✊的升(shēng)、阻力系(xi)數進行(háng)比較，驗(yàn)證數值(zhí)仿真可(kě)行性。并(bing)通過改(gǎi)變管截(jié)面與截(jie)流面之(zhi)間的夾(jia)角🛀🏻，在低(di)、中、高速(sù)流速下(xia)，進行取(qǔ)壓㊙️，最終(zhōng)得出随(sui)着夾角(jiao)㊙️的不同(tong)，信🌍号強(qiáng)度不同(tong)。夾角在(zai)1°～7°範圍，對(duì)信号強(qiáng)度的衰(shuai)減影響(xiǎng)不大，超(chao)過7°以後(hou)對信号(hào)強度影(yǐng)響變大(da)，并随着(zhe)流速的(de)增㊙️加，趨(qū)勢越來(lái)越強。
2 升(sheng)、阻力系(xi)數
    旋渦(wō)脫落時(shí)，流體施(shī)加給柱(zhu)體一個(gè)垂直于(yu)主流的(de)周期性(xìng)交變作(zuo)用力，稱(chēng)爲升力(lì)。由于柱(zhu)體兩側(ce)交替的(de)釋放旋(xuán)✌️渦時，剛(gang)釋放完(wán)渦流的(de)一側柱(zhu)面，擾流(liu)改善，側(ce)面總壓(yā)力降低(dī)；将要釋(shi)放渦流(liú)的另一(yī)側柱面(miàn)，擾流較(jiào)差，側面(mian)總壓力(lì)較大，從(cóng)而形成(cheng)一個作(zuò)用在🏒三(sān)角柱上(shàng)、方向總(zǒng)是指向(xiang)剛釋放(fang)完渦👉流(liu)那一側(ce)的作用(yong)力，所以(yǐ)升力的(de)交變頻(pín)率和旋(xuan)渦的脫(tuō)落頻率(lü)一緻，升(shēng)力的變(bian)化規律(lü)和旋渦(wo)的變化(hua)規律一(yī)緻，因而(er)通過監(jiān)視柱面(miàn)上的升(sheng)力變化(huà)規律，可(kě)以反映(yìng)旋渦脫(tuō)落規律(lü)。
    阻力系(xi)數反映(yìng)的是柱(zhù)體迎流(liu)方向上(shàng)的作用(yòng)力變化(hua)🌈情況，每(měi)💋當柱體(tǐ)兩側不(bú)管哪一(yī)邊的釋(shi)放旋渦(wo)一次，迎(yíng)流方向(xiàng)上的作(zuo)用力都(dōu)會随壓(yā)力變化(huà)有規律(lǜ)🚶地變化(huà)一次，因(yin)此，升力(li)♉系數變(biàn)化的一(yi)個周期(qi)内，阻力(li)系數變(biàn)化爲兩(liang)個周期(qī)。
3 三維渦(wo)街流場(chǎng)模拟的(de)可行性(xing)分析
3.1 幾(ji)何建模(mo)與網格(gé)劃分
圖(tu)1是在ANSYS　Workbench中(zhōng)建立的(de)三維渦(wo)街流量(liàng)計幾何(hé)模型。其(qi)中管道(dao)🏃‍♂️口❤️徑50mm，管(guǎn)🏃道長1000mm，旋(xuan)渦發生(sheng)體截流(liu)面寬度(du)14mm，管截面(mian)與截流(liu)面😘夾角(jiao)🤞爲α。

對(duì)幾何模(mo)型進行(háng)非結構(gòu)網格劃(huà)分，作爲(wèi)數值模(mó)拟的載(zǎi)體❄️，如圖(tú)2所示。

3.2 仿真參(can)數設置(zhì)
在FLUENT中，三(sān)維渦街(jie)流場參(can)數設置(zhi)如下：
1）流(liú)體：空氣(qi)（air）；
2）湍流模(mó)型：Renormalization－group（RNG）k－ε模型(xing)；
3）邊界條(tiáo)件
①流速(sù)入口邊(biān)界：根據(ju)需要設(she)置不同(tóng)流速、湍(tuan)流動能(néng)和耗🚶散(san)率；
②壓力(li)出口邊(bian)界：零壓(ya)；
4）求解器(qì)：基于壓(yā)力的三(san)維雙精(jīng)度瞬态(tai)求解器(qi)；
5）數值計(jì)算過程(cheng)：SIMPLE算法。
3.3 升(sheng)、阻力變(biàn)化頻率(lǜ)的計算(suan)結果及(ji)分析
圖(tú)3所示速(su)度等值(zhí)。三維渦(wo)街流場(chang)在夾角(jiǎo)爲0°，入口(kou)流速爲(wei)🌏5m/s的情況(kuang)下的速(su)度等值(zhí)線圖。

    通(tong)過仿真(zhen)模拟，圖(tu)4給出流(liu)速u＝5m/s時，作(zuo)用在三(sān)角柱上(shàng)的升力(li)🍓系數和(he)阻力系(xì)數變化(huà)曲線。由(you)圖5升力(lì)系數的(de)FFT曲線🆚可(ke)以看出(chū)其頻率(lü)爲FL＝87.92Hz。從圖(tú)6阻力系(xi)數的FFT曲(qǔ)線可以(yǐ)看出其(qi)頻率🈲爲(wèi)FD＝176.43Hz，約爲升(shēng)力系數(shù)變化♊頻(pín)率的2倍(bèi)。

    爲了驗(yàn)證将FLUENT用(yòng)于渦街(jiē)流量計(jì)的三維(wei)流場仿(páng)真的可(kě)行性，對(duì)不同流(liú)速下的(de)升、阻力(li)頻率進(jin)行比較(jiao)，如表1所(suǒ)示。可以(yi)看出阻(zǔ)力系數(shù)變化頻(pin)率是升(shēng)力系數(shù)變化頻(pin)率的2倍(bei)，說明用(yòng)FLUENT進行渦(wo)📱街流量(liang)計的三(sān)維仿真(zhēn)是可行(háng)的。

4 仿真(zhēn)結果
    基(ji)于上述(shù)通過升(shēng)、阻力變(bian)化頻率(lü)的關系(xì)驗證出(chu)利用FLUENT對(duì)三維渦(wō)街流場(chǎng)進行仿(pang)真是可(kě)行的。本(ben)節應用(yòng)FLUENT對截🔞流(liu)夾🔞角、流(liu)速和信(xin)号強度(du)之間的(de)關系進(jìn)行了💁仿(pang)真研🐪究(jiu)。分别取(qu)7m/s、40m/s和70m/s的流(liú)速α的角(jiǎo)度在0°～10°範(fan)圍内取(qu)值（發生(sheng)體的安(ān)裝偏差(cha)一般不(bu)會超過(guo)10°），進行💃🏻數(shù)值仿真(zhen)。記錄信(xìn)号強💔度(du)，如表2所(suo)示。

    将表(biao)2的數據(jù)繪制成(cheng)圖7，将圖(tú)7中流速(sù)爲7m/s的數(shu)據放大(dà)如圖👨‍❤️‍👨8所(suo)示。觀察(cha)圖7、8，可以(yi)直觀的(de)反應出(chū)夾角、流(liú)速與信(xìn)号強度(dù)的關😍系(xì)變化。通(tong)過對比(bi)這3張圖(tu)可以看(kàn)出，信号(hao)強💋度随(sui)着夾角(jiǎo)、流速的(de)不✊同而(ér)不同。并(bing)從圖中(zhong)得出結(jié)論：
1）渦街(jiē)的信号(hao)強度與(yu)流速成(cheng)正比，随(sui)着流速(sù)的增加(jiā)，旋渦🈚脫(tuō)🌈落頻⛷️率(lü)信号強(qiang)度會顯(xian)著增加(jia)。
2）在流速(su)相同的(de)情況下(xià)，随着夾(jiá)角的增(zeng)大，信号(hào)強度逐(zhu)😄漸㊙️減小(xiao)，并随着(zhe)夾角的(de)增大，信(xìn)号強度(dù)的衰減(jiǎn)程度也(yě)逐漸增(zeng)大。夾角(jiǎo)在1°～7°範圍(wéi)，對信号(hao)強度的(de)衰減影(ying)響不大(da)🏃🏻‍♂️，可忽略(lue)❤️，超過7°以(yi)後對信(xin)号強度(dù)影響變(biàn)大，不可(ke)忽略。
3）在(zai)夾角相(xiang)同的情(qíng)況下，随(suí)着流速(sù)的增大(dà)，信号強(qiáng)度衰減(jiǎn)趨勢越(yue)😘來越明(míng)顯。

5 結論(lùn)
    流場仿(páng)真在渦(wō)街流量(liang)計的設(shè)計和完(wan)善中正(zheng)變得越(yue)來越重(zhòng)✔️要👈，它通(tōng)過理論(lùn)支持指(zhi)導仿真(zhēn)的可實(shí)施♍性，并(bing)将仿真(zhēn)結🔴論用(yong)💔于實驗(yan)中，提高(gao)效率。通(tōng)過模拟(nǐ)三維渦(wo)街流場(chǎng)三角柱(zhù)繞流現(xian)象，将升(shēng)、阻力頻(pin)率進行(háng)對比，驗(yan)💰證了可(kě)将FLUENT用于(yú)三維渦(wo)街流場(chǎng)的仿真(zhēn)中♻️。并從(cong)不同流(liú)速和不(bú)同截流(liu)夾角兩(liang)方面分(fèn)别考慮(lü)，對比分(fèn)析了三(san)🔴維渦街(jiē)信号的(de)信号強(qiáng)度，得出(chū)夾角在(zai)1°～7°範圍，對(dui)信号強(qiang)🔴度的影(ying)響不大(dà)，超過了(le)7°以後影(ying)響變大(dà)。從而爲(wèi)以後的(de)實驗做(zuò)出理論(lun)指導。進(jin)一步的(de)研究可(ke)以通過(guo)對不同(tóng)形狀的(de)旋渦發(fā)生體取(qu)不同👉截(jié)流夾角(jiao)和不同(tóng)🎯流速進(jin)行仿真(zhen)對比研(yan)究。

以上(shàng)内容來(lái)源于網(wǎng)絡，如有(yǒu)侵權請(qǐng)聯系即(jí)删除!