蒸汽作爲(wèi)一種重要的二(er)次清潔能源，在(zai)電廠、石油化工(gōng)、食品、機械加工(gong)等工業生産領(ling)域和人民的日(ri)常生活中占據(jù)了越來越重要(yao)的地位。爲了提(ti)高蒸汽的計量(liàng)水平，标準孔闆(pan)、噴嘴以及渦街(jiē)流量計等多種(zhong)類型的蒸汽儀(yí)表，而在衆多類(lèi)型蒸汽儀表中(zhōng)，渦街流量🏃🏻‍♂️計以(yǐ)其結構簡單、測(ce)量範圍寬、壓損(sǔn)小、測量時無可(kě)動🐅件等❌優點在(zai)蒸汽計量中得(dé)到快速的推廣(guang)和使用。
1 渦街流(liú)量計
　　渦街流量(liàng)計 ( 又稱旋渦流(liú)量計) 是根據 “卡(kǎ)門渦街”原🈲理研(yan)制成的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流體振(zhèn)蕩式流量測量(liàng)儀表。所謂 “卡門(men)渦街🔅”現象🌈就是(shì)🈲在測量管道流(liú)動的流體中插(chā)入一根 ( 或多根(gēn)) 迎流🏒面爲非流(liu)線型♉的旋渦發(fā)生體，當雷諾數(shù)達到一定值時(shi)，從旋渦發生體(tǐ)下遊兩側交替(ti)👣地分離釋放✔️出(chu)兩串規則✉️的交(jiao)錯排列的旋渦(wo)，這種旋渦稱爲(wèi)卡門渦街。在一(yi)定雷諾數範圍(wéi)内，旋渦的分離(lí)頻率與旋渦發(fa)生體👉的幾何尺(chǐ)寸、管道的幾何(hé)尺寸有關，旋渦(wō)的頻率正比于(yu)管道流體流量(liang)，并可由各種型(xing)💔式的傳感器檢(jian)出，渦街流量計(jì)工作原理如圖(tu) 1 所示。

卡門渦街頻率(lü)計算公式爲:

　　式(shi)中: f 爲旋渦頻率(lǜ); Sr爲斯特勞哈爾(er)數; m 爲旋渦發生(sheng)體兩側弓形面(mian)積與管道橫截(jié)面面積之比，不(bú)可壓縮流體♊中(zhōng)，由于流㊙️體密度(dù) ρ 不變，由連續性(xìng)方程可得到 m = U/U1。

　　不(bú)同介質對渦街(jiē)流量計性能的(de)影響最終體現(xiàn)在儀表系數的(de)差異上，所以本(běn)文使用 Fluent 軟件建(jiàn)立渦街流量計(jì)的幾何模型，然(ran)後對不同介質(zhì)下的流場進行(hang)仿真分析，并仿(pang)真得😄到不同介(jiè)質下的儀表系(xi)數，最終通過實(shí)驗驗證👣得到空(kong)氣📧和水作爲替(ti)代介質導緻的(de)與蒸汽實流标(biao)定得到的儀表(biao)系的差異。
2 仿真(zhen)模型與條件的(de)設定
2. 1 仿真模型(xing)
　　選擇 DN100 口徑的渦(wo)街流量計進行(háng)研究，利用 Gambit 軟件(jian)建立渦街流量(liang)計幾何模型并(bing)劃分網格，渦街(jie)流量計發㊙️生體(ti)📧橫截面網格如(ru)圖 2 所示。

　　爲(wèi)了提高計算效(xiao)率，渦街發生體(tǐ)處重點加密，其(qí)他區域适當的(de)稀疏。從圖 2 可以(yǐ)看出，渦街發生(sheng)體所處💘流場網(wǎng)格均勻👅加密。通(tong)過加密畫法，靠(kao)近渦街發生體(tǐ)的橫截面網格(ge)較密，遠離渦街(jiē)發生體而靠近(jin)管壁的網格較(jiào)稀疏。
2. 2 仿真條件(jiàn)設定
　　仿真選擇(zé)三種流體材質(zhì)，分别爲空氣和(he)蒸汽兩種可壓(ya)縮流體☂️以及不(bú)可壓縮的水，在(zai) Fluent 中空氣和蒸汽(qì)材質通過設定(dìng)☀️氣體的密度選(xuǎn)項來實現。對于(yú)不可壓縮流體(tǐ)選擇的密度🐇爲(wei)常數; 空氣介質(zhì)選擇默認密度(dù) 1. 225 kg/m3，其密度設定爲(wei)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻理想氣體，在叠(dié)代計算的過程(chéng)中，根據氣體狀(zhuang)态方程壓🈚強的(de)變化修正流體(ti)的密度; 蒸汽介(jie)質的密度根據(jù)IF － 97 公式，利用 UDF 編程(cheng)設置。
仿真模型(xíng)選擇 ＲNG k － ε 雙方程湍(tuan)流模型，該模型(xíng)可以很好地處(chu)🆚理高應變率以(yi)及流線彎曲程(cheng)度較大的流體(tǐ)流動，非常适合(he)🈲具有旋渦脫落(luò)現象的渦街流(liu)場仿真［8］。
3 流場仿(pang)真分析
　　根據公(gong)式 ( 1) 可知，影響渦(wo)街流量計旋渦(wō)頻率的是發生(shēng)體🈲兩側的流速(su) U1和發生體的結(jie)構，由于發生體(tǐ)結構尺寸是固(gù)定的，因此頻率(lǜ)隻與 U1相關，需要(yào)觀測在相同入(rù)🎯口流速 U 的條件(jiàn)下 U1變化來得到(dao)頻率的變化，而(er)速度的變化必(bi)然會導緻流體(ti)密度的✍️變化，因(yin)此💚可觀測發生(sheng)體兩側的密度(du)雲圖，來判斷可(kě)壓縮性對渦街(jie)流量計流速 U1的(de)影響，通過仿真(zhen)得到如圖 3 ( a) 所💜示(shi)的不可💚壓縮流(liu)體發生體兩側(cè)的密度雲圖和(he)如圖 3 ( b) 所示的可(ke)壓縮流🐉體發生(sheng)體兩側的密度(dù)雲圖。

　　由圖 3 可以(yi)看出，不可壓縮(suō)流體的密度在(zài)仿真過程中沒(méi)有發😄生變化，可(kě)壓縮流體的密(mi)度發生了變化(hua)，必然會導✉️緻兩(liang)側速度 U1的變化(hua)。可壓縮流體經(jīng)過發生體後密(mì)度變小會導緻(zhì) U1變大。
　　根據圖 3 得(dé)到的結論，對渦(wo)街流量計進行(háng)蒸汽、空氣和水(shuǐ)三種介質下的(de)軟件仿真，設置(zhi)三種介質的入(rù)口流速均爲 50 m/s，取(qǔ)渦街🔱發生體迎(ying)流面側棱中點(dian)與管壁連線，如(rú)圖 2 中線段 ab所✉️示(shi)。取該✏️線上的速(su)度值，将蒸汽、空(kōng)氣和水三種介(jie)質下的速度曲(qu)線進行比較，結(jié)果如圖 4所示。

　　從(cong)圖 4 中可以看出(chū)，在靠近渦街發(fa)生體的位置，可(kě)壓縮流🥰體流速(su)明顯大于不可(kě)壓縮流體流速(sù)，且空氣📱的流速(su)要大于❗蒸汽介(jie)質的流速。因此(ci)空氣介質受氣(qì)體可壓縮性的(de)影響較大。
　　渦街(jiē)流量計的計量(liàng)性能最終反映(yìng)到儀表系數上(shàng)，渦街流量計兩(liǎng)側的旋渦頻率(lǜ)決定了儀表系(xì)數的❤️大小，圖 5 爲(wei)仿真得到的渦(wo)街流量計渦流(liú)流場靜壓❤️雲圖(tu)。從圖中可以看(kan)出❤️兩個明顯的(de)脫落旋渦。圖中(zhōng) A 區域靜壓大，B 區(qu)域靜壓小。靜壓(yā)⛷️最小的位置是(shi) C 處，也就是脫落(luo)旋渦的渦心位(wèi)置。檢測渦街發(fa)生體下遊👅 1D 處的(de)靜壓變化🐕得到(dào)如圖 6 所示的靜(jìng)壓變化圖。

　　對(duì)圖 6 中靜壓數值(zhi)進行快速傅立(lì)葉變換，得到如(rú)圖 7 所🈲示的三種(zhong)介質下的旋渦(wō)脫落頻率圖。
通(tōng)過讀取圖 7 三種(zhong)介質旋渦脫落(luò)頻率圖最高

點的頻率，可(kě)以得到空氣介(jie)質的旋渦脫落(luò)頻率爲1 595 Hz，蒸汽🔴介(jie)質🏃‍♂️的旋渦脫落(luò)頻率爲 1 579 Hz，水介質(zhì)的旋渦脫落頻(pín)率爲1 559 Hz。代入公式(shi) ( 1)可以發現，渦街(jie)流量計在相同(tong)管道直徑相同(tóng)入口速度的情(qíng)況下在水介質(zhi)中得到的儀表(biǎo)系數最小、蒸汽(qi)次之、空氣最大(dà)。說明空氣受氣(qi)體介質的可壓(ya)縮性影響大，在(zai)發生🔆體兩側的(de)密🆚度變化率較(jiao)蒸汽要大。
4 實驗(yan)驗證
　　爲驗證仿(páng)真分析得到的(de)結論，利用負壓(ya)法音速噴嘴氣(qì)體流量😘計量标(biao)準裝置、蒸汽實(shí)流計量标準裝(zhuang)置和水流量計(ji)量标準裝置對(duì)該結構類型的(de)渦街流量計進(jìn)行三種介質的(de)實驗研究，各測(ce)試條件參數如(rú)表 1 所示。

在上述(shù)實驗條件下得(dé)到三種标準計(jì)量裝置的儀表(biao)🌏系數，實驗結果(guo)如圖 8 所示。

　　由圖 8 可(kě)看出，在實驗過(guo)程中，空氣與水(shuǐ)的儀表系數與(yǔ)仿真分析基本(ben)相符，但蒸汽介(jie)質的儀表系數(shù)要🆚小，這主要是(shi)因爲蒸汽介質(zhi)的高溫使發生(shēng)體的幾何尺寸(cun)發生變化導緻(zhi)💃🏻的儀表系數的(de)🤩改變。
根據經驗(yàn)公式 ( 4) :

　　由公式 ( 4) 可(ke)以知道随着溫(wēn)度的升高，儀表(biǎo)系數會減小🚶‍♀️，因(yin)此就出現了圖(tu) 8 所示實驗數據(ju)與圖 7 仿真頻率(lǜ)⭕計算出的儀表(biao)系數的微小差(cha)異。
5 結論
　　利用 Fluent 軟(ruǎn)件實現了渦街(jiē)流量計在不同(tong)介質下的流場(chang)仿真，根據卡門(mén)渦街的産生機(ji)理，對比分析了(le)空⁉️氣、蒸汽和水(shui)三種不同介質(zhì)條件下的流場(chang)，仿真結🚶‍♀️果表明(ming)🏃🏻随着可壓縮性(xìng)的增強，渦街流(liú)量計的儀表系(xì)數随之🐉變大，因(yīn)此在渦街流量(liang)計的首次或者(zhě)後🥵續檢定中盡(jin)量采用與工況(kuàng)相同的介✔️質進(jin)行标定。

以上内(nèi)容來源于網絡(luo)，如有侵權請聯(lian)系即删除!