摘要(yao)：對于(yu)渦街(jie)流量(liang)計 的(de)旋渦(wo)發生(sheng)體的(de)仿真(zhen)研究(jiu)主要(yao)集中(zhong)在形(xing)狀和(he)尺寸(cun)上，但(dan)在現(xian)場複(fu)雜工(gong)況環(huan)境的(de)情況(kuang)下，發(fa)生體(ti)的❄️位(wei)置并(bing)不⭕是(shi)固定(ding)不變(bian)的，會(hui)存在(zai)安裝(zhuang)偏差(cha)。爲了(le)很好(hao)的分(fen)析發(fa)生體(ti)安裝(zhuang)🏃‍♀️偏差(cha)帶來(lai)的信(xin)号強(qiang)度發(fa)生變(bian)化的(de)問題(ti)，确定(ding)不影(ying)響信(xin)号👣強(qiang)度的(de)最大(da)偏差(cha)角度(du)，采用(yong)三角(jiao)柱型(xing)發生(sheng)體，在(zai)Ansys+Workbench＋FLUENT數值(zhi)仿真(zhen)軟件(jian)平台(tai)環♌境(jing)下，根(gen)據渦(wo)街流(liu)量計(ji)的實(shi)際🏃‍♀️物(wu)理結(jie)構尺(chi)寸建(jian)立仿(pang)真模(mo)型✍️，并(bing)對其(qi)進行(hang)網格(ge)劃分(fen)、求解(jie)，将仿(pang)真得(de)到的(de)升、阻(zu)力頻(pin)率相(xiang)比🤞較(jiao)，得出(chu)阻力(li)頻率(lü)正好(hao)是升(sheng)力㊙️頻(pin)率的(de)2倍，表(biao)明可(ke)以利(li)㊙️用FLUENT軟(ruan)件對(dui)渦街(jie)流量(liang)計✨進(jin)行三(san)維流(liu)場數(shu)值仿(pang)真。最(zui)後利(li)用FLUENT軟(ruan)件，通(tong)過改(gai)變管(guan)截面(mian)與截(jie)流面(mian)的夾(jia)角，在(zai)低、中(zhong)🎯、高速(su)流速(su)下，對(dui)其進(jin)行🧑🏾‍🤝‍🧑🏼取(qu)壓，将(jiang)得到(dao)的信(xin)号強(qiang)度和(he)頻譜(pu)分布(bu)進行(hang)比較(jiao)分析(xi)，得出(chu)夾角(jiao)與信(xin)号強(qiang)度的(de)關系(xi)：夾角(jiao)在1°～7°範(fan)圍，對(dui)信号(hao)強度(du)的影(ying)響不(bu)大，超(chao)過7°以(yi)後影(ying)響變(bian)大。
1引(yin)言
　　随(sui)着計(ji)算機(ji)技術(shu)、數值(zhi)計算(suan)技術(shu)的發(fa)展，現(xian)代模(mo)拟仿(pang)真🔴技(ji)術計(ji)🔱算流(liu)體力(li)學（cmputational fluid dynamics,CFD）也(ye)随之(zhi)而生(sheng)［1］。它是(shi)對純(chun)理論(lun)和純(chun)實驗(yan)方法(fa)很好(hao)的🈲促(cu)進和(he)補充(chong)。ＣＦＤ作爲(wei)一門(men)新興(xing)學科(ke)，它力(li)求🈚通(tong)過數(shu)值實(shi)驗替(ti)代實(shi)物實(shi)驗，采(cai)用虛(xu)拟流(liu)場來(lai)模拟(ni)真實(shi)流場(chang)内部(bu)的流(liu)體流(liu)動情(qing)況🔆，從(cong)而使(shi)得實(shi)驗研(yan)究更(geng)加方(fang)便，研(yan)究場(chang)景更(geng)加豐(feng)富㊙️可(ke)編程(cheng)［2－5］。
　　FLUENT軟件(jian)提供(gong)了多(duo)種基(ji)于非(fei)結構(gou)化網(wang)格的(de)複雜(za)物理(li)模型(xing)🥰，并針(zhen)對不(bu)同物(wu)理問(wen)題的(de)流動(dong)特點(dian)創建(jian)出不(bu)同的(de)🆚數值(zhi)🈲解法(fa)［6］。用戶(hu)✂️可根(gen)✔️據實(shi)際需(xu)求自(zi)由選(xuan)擇，以(yi)便在(zai)計算(suan)速度(du)、穩定(ding)性和(he)精度(du)💔等方(fang)面達(da)到好(hao)的，提(ti)高設(she)計效(xiao)率。
　　關(guan)于渦(wo)街流(liu)量計(ji)的發(fa)生體(ti)數值(zhi)模拟(ni)研究(jiu)，主要(yao)集中(zhong)在渦(wo)🥵街發(fa)生體(ti)形狀(zhuang)和尺(chi)寸上(shang)［7－10］。Ｙａｍａｓａｋｉ指出(chu)發生(sheng)體的(de)形狀(zhuang)與幾(ji)何參(can)數和(he)渦街(jie)流量(liang)計的(de)流量(liang)特性(xing)（儀表(biao)系數(shu)、線性(xing)度、重(zhong)複🐉性(xing)、測量(liang)範圍(wei)）與阻(zu)力特(te)性存(cun)在相(xiang)當大(da)的關(guan)聯關(guan)系。Ｓ．Ｃ．Ｌｕｏ等(deng)人研(yan)究旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)尾🔞緣(yuan)形狀(zhuang)以及(ji)迎流(liu)角度(du)🤞對渦(wo)街性(xing)能的(de)影響(xiang)，在風(feng)洞和(he)水槽(cao)實驗(yan)中，得(de)出在(zai)⭐全😍長(zhang)相等(deng)的情(qing)況下(xia)，旋渦(wo)強度(du)随尾(wei)緣夾(jia)角的(de)增大(da)而減(jian)小。彭(peng)傑綱(gang)等人(ren)在50mm口(kou)徑管(guan)道氣(qi)流量(liang)實驗(yan)中，通(tong)過對(dui)不同(tong)尾緣(yuan)夾角(jiao)角度(du)☁️的旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)進行(hang)實🐪驗(yan)研究(jiu)，得出(chu)旋渦(wo)發生(sheng)體尾(wei)緣的(de)夾角(jiao)爲🈲41．8°時(shi)具有(you)很好(hao)的線(xian)性度(du)。賈雲(yun)飛等(deng)人通(tong)過對(dui)二維(wei)渦街(jie)流場(chang)中的(de)壓力(li)場進(jin)行數(shu)值仿(pang)真研(yan)究，得(de)出Ｔ形(xing)發👄生(sheng)體🚶‍♀️産(chan)生的(de)旋渦(wo)信号(hao)的強(qiang)度要(yao)優于(yu)三角(jiao)柱發(fa)生體(ti)。
　　渦街(jie)流量(liang)計利(li)用流(liu)體振(zhen)動原(yuan)理進(jin)行流(liu)量測(ce)量［11］。選(xuan)取了(le)應力(li)式渦(wo)街流(liu)量計(ji)進行(hang)研究(jiu)。它通(tong)過壓(ya)電檢(jian)測元(yuan)🐉件獲(huo)取電(dian)壓頻(pin)率，再(zai)根據(ju)流體(ti)流量(liang)與渦(wo)街頻(pin)率成(cheng)正比(bi)得出(chu)被測(ce)流量(liang)。在過(guo)去的(de)渦街(jie)流量(liang)計研(yan)究中(zhong)，一直(zhi)将研(yan)究重(zhong)點放(fang)在真(zhen)實流(liu)場實(shi)驗中(zhong)，但這(zhe)需要(yao)重複(fu)更🏒換(huan)口徑(jing)、調節(jie)流量(liang)，大大(da)降低(di)了工(gong)作效(xiao)率。爲(wei)解決(jue)此問(wen)題，采(cai)用三(san)維渦(wo)街流(liu)場數(shu)值分(fen)析的(de)方法(fa)對内(nei)✊部流(liu)場的(de)變化(hua)進行(hang)研究(jiu)。
　　通過(guo)FLUENT軟件(jian)對三(san)維渦(wo)街流(liu)場進(jin)行數(shu)值仿(pang)真，并(bing)将不(bu)同流(liu)速下(xia)的升(sheng)、阻力(li)系數(shu)進行(hang)比較(jiao)，驗證(zheng)數值(zhi)仿真(zhen)可行(hang)性。并(bing)通過(guo)改變(bian)管截(jie)面與(yu)截流(liu)面之(zhi)間的(de)夾角(jiao)，在低(di)、中、高(gao)速流(liu)速下(xia)，進行(hang)取壓(ya)，最終(zhong)得出(chu)随着(zhe)夾角(jiao)的不(bu)同，信(xin)🏃‍♂️号強(qiang)度不(bu)同。夾(jia)角在(zai)1°～7°範圍(wei)，對信(xin)号強(qiang)度的(de)衰減(jian)影響(xiang)不🥵大(da)，超過(guo)7°以後(hou)對信(xin)号強(qiang)度影(ying)響變(bian)大，并(bing)随着(zhe)流速(su)的增(zeng)加，趨(qu)勢越(yue)來越(yue)強。
2升(sheng)、阻力(li)系數(shu)
　　旋渦(wo)脫落(luo)時，流(liu)體施(shi)加給(gei)柱體(ti)一個(ge)垂直(zhi)于主(zhu)流的(de)周期(qi)🈲性交(jiao)變作(zuo)用力(li)，稱爲(wei)升力(li)［12］。由于(yu)柱體(ti)兩側(ce)交替(ti)的釋(shi)放旋(xuan)渦時(shi)，剛釋(shi)放完(wan)渦流(liu)的一(yi)側柱(zhu)面，擾(rao)流改(gai)善，側(ce)面總(zong)壓力(li)降低(di)；将要(yao)釋放(fang)渦流(liu)的❌另(ling)一側(ce)柱面(mian)，擾流(liu)較差(cha)，側面(mian)總壓(ya)力較(jiao)大，從(cong)而形(xing)成一(yi)個作(zuo)用在(zai)三角(jiao)柱上(shang)、方🔴向(xiang)總是(shi)指向(xiang)剛釋(shi)放完(wan)渦☁️流(liu)那一(yi)側的(de)作用(yong)力，所(suo)以升(sheng)㊙️力的(de)交變(bian)頻率(lü)和旋(xuan)渦的(de)脫落(luo)頻率(lü)一緻(zhi)，升力(li)的變(bian)化規(gui)律和(he)🔆旋渦(wo)的變(bian)化規(gui)律一(yi)緻，因(yin)而通(tong)過監(jian)視柱(zhu)面上(shang)的升(sheng)力變(bian)化規(gui)律，可(ke)以反(fan)映旋(xuan)渦脫(tuo)落規(gui)律。阻(zu)力系(xi)數反(fan)映的(de)是柱(zhu)體迎(ying)流方(fang)向上(shang)的作(zuo)用力(li)變化(hua)情🔴況(kuang)，每當(dang)柱體(ti)兩側(ce)不管(guan)哪一(yi)邊的(de)🔞釋放(fang)旋渦(wo)一次(ci)，迎流(liu)方向(xiang)上的(de)作用(yong)力都(dou)會随(sui)壓力(li)變化(hua)有規(gui)律地(di)變化(hua)一次(ci)，因此(ci)，升力(li)系數(shu)變化(hua)的一(yi)個周(zhou)期内(nei)♈，阻力(li)系數(shu)變化(hua)爲兩(liang)個周(zhou)期📐。
3三(san)維渦(wo)街流(liu)場模(mo)拟的(de)可行(hang)性分(fen)析
3．1幾(ji)何建(jian)模與(yu)網格(ge)劃分(fen)
　　圖1是(shi)在ANSYS Workbench中(zhong)建立(li)的三(san)維渦(wo)街流(liu)量計(ji)幾何(he)模型(xing)。其中(zhong)管道(dao)口🔞徑(jing)50mm，管道(dao)長1000mm，旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)截流(liu)面寬(kuan)度14mm，管(guan)截面(mian)與截(jie)流面(mian)🛀夾角(jiao)爲α。

對(dui)幾何(he)模型(xing)進行(hang)非結(jie)構網(wang)格劃(hua)分，作(zuo)爲數(shu)值模(mo)拟的(de)載體(ti)，如圖(tu)2所示(shi)。

3．2仿真(zhen)參數(shu)設置(zhi)
在FLUENT中(zhong)，三維(wei)渦街(jie)流場(chang)參數(shu)設置(zhi)如下(xia)：
1）流體(ti)：空氣(qi)（ａｉｒ）；
2）湍流(liu)模型(xing)：Renormalization-group(RNG)ｋ－ε模型(xing)；
3）邊界(jie)條件(jian)
①流速(su)入口(kou)邊界(jie)：根據(ju)需要(yao)設置(zhi)不同(tong)流速(su)、湍流(liu)動能(neng)🏒和耗(hao)散率(lü)；
②壓力(li)出口(kou)邊界(jie)：零壓(ya)；
4）求解(jie)器：基(ji)于壓(ya)力的(de)三維(wei)雙精(jing)度瞬(shun)态求(qiu)解器(qi)；
5）數值(zhi)計算(suan)過程(cheng)：SIMPLE算法(fa)。
3．3升、阻(zu)力變(bian)化頻(pin)率的(de)計算(suan)結果(guo)及分(fen)析
圖(tu)3所示(shi)速度(du)等值(zhi)。三維(wei)渦街(jie)流場(chang)在夾(jia)角爲(wei)0°，入口(kou)流速(su)爲5m/s的(de)💃情況(kuang)下的(de)速度(du)等值(zhi)線圖(tu)。

　　通過(guo)仿真(zhen)模拟(ni)，圖4給(gei)出流(liu)速ｕ＝5m/s時(shi)，作用(yong)在三(san)角柱(zhu)上的(de)升力(li)系數(shu)🌏和阻(zu)力系(xi)數變(bian)化曲(qu)線。由(you)圖5升(sheng)力系(xi)數的(de)ＦＦＴ曲線(xian)可以(yi)看出(chu)其頻(pin)率爲(wei)ＦＬ＝87．92Ｈｚ。從圖(tu)6阻力(li)系數(shu)的ＦＦＴ曲(qu)線可(ke)🙇🏻以看(kan)出其(qi)頻率(lü)爲ＦＤ＝176．43Ｈｚ，約(yue)爲升(sheng)力系(xi)數變(bian)化頻(pin)率的(de)2倍。



　　爲(wei)了驗(yan)證将(jiang)FLUENT用于(yu)渦街(jie)流量(liang)計的(de)三維(wei)流場(chang)仿真(zhen)的可(ke)行性(xing)🈲，對不(bu)同流(liu)速下(xia)的升(sheng)、阻力(li)頻率(lü)進行(hang)比較(jiao)，如表(biao)1所示(shi)。可🚶以(yi)看出(chu)阻力(li)系數(shu)變化(hua)頻率(lü)是升(sheng)力系(xi)數變(bian)化頻(pin)率的(de)2倍，說(shuo)明用(yong)FLUENT進行(hang)渦🐆街(jie)流量(liang)🐪計的(de)三維(wei)仿真(zhen)是可(ke)行的(de)。

4仿真(zhen)結果(guo)
　　基于(yu)上述(shu)通過(guo)升、阻(zu)力變(bian)化頻(pin)率的(de)關系(xi)驗證(zheng)出利(li)⭐用🐇FLUENT對(dui)三維(wei)渦街(jie)流場(chang)進行(hang)仿真(zhen)是可(ke)行的(de)。應用(yong)FLUENT對截(jie)流夾(jia)角、流(liu)速和(he)信号(hao)強度(du)之間(jian)的關(guan)系進(jin)行了(le)仿真(zhen)研究(jiu)。分别(bie)取7m/s、40m/s和(he)70m/s的流(liu)速，α的(de)角度(du)⛱️在0°～10°範(fan)圍内(nei)取值(zhi)（發生(sheng)✊體的(de)安裝(zhuang)偏差(cha)一般(ban)不會(hui)超過(guo)10°），進行(hang)數值(zhi)仿真(zhen)。記錄(lu)信号(hao)強度(du)，如表(biao)2所示(shi)。

　　将表(biao)2的數(shu)據繪(hui)制成(cheng)圖7，将(jiang)圖7中(zhong)流速(su)爲7m/s的(de)數據(ju)放大(da)如圖(tu)8所示(shi)。觀察(cha)圖7、8，可(ke)以直(zhi)觀的(de)反應(ying)出夾(jia)角、流(liu)速與(yu)信号(hao)強度(du)的關(guan)系變(bian)化。通(tong)過對(dui)比這(zhe)3張圖(tu)可以(yi)看出(chu)，信号(hao)強度(du)随着(zhe)夾角(jiao)、流速(su)的不(bu)同而(er)不同(tong)。并從(cong)圖中(zhong)得出(chu)結論(lun)：
1）渦街(jie)的信(xin)号強(qiang)度與(yu)流速(su)成正(zheng)比，随(sui)着流(liu)速的(de)增加(jia)，旋渦(wo)脫落(luo)頻🧡率(lü)信号(hao)強度(du)會顯(xian)著增(zeng)加。
2）在(zai)流速(su)相同(tong)的情(qing)況下(xia)，随着(zhe)夾角(jiao)的增(zeng)大，信(xin)号強(qiang)度逐(zhu)漸減(jian)小🏃‍♂️，并(bing)随着(zhe)夾角(jiao)的增(zeng)大，信(xin)号強(qiang)度的(de)衰減(jian)程度(du)也🤞逐(zhu)漸增(zeng)大。夾(jia)角在(zai)1°～7°範圍(wei)，對信(xin)号強(qiang)度的(de)衰減(jian)影響(xiang)不大(da)，可忽(hu)略，超(chao)過7°以(yi)後對(dui)信号(hao)強度(du)影響(xiang)變大(da)，不👣可(ke)忽略(lue)3）在夾(jia)角相(xiang)同的(de)情況(kuang)下，随(sui)着流(liu)速的(de)增大(da)，信号(hao)強度(du)衰減(jian)趨勢(shi)越來(lai)越明(ming)顯。


5結(jie)論
　　流(liu)場仿(pang)真在(zai)渦街(jie)流量(liang)計的(de)設計(ji)和完(wan)善中(zhong)正變(bian)得越(yue)來越(yue)重🐉要(yao)，它通(tong)過理(li)論支(zhi)持指(zhi)導仿(pang)真的(de)可實(shi)施性(xing)，并将(jiang)仿真(zhen)結論(lun)用于(yu)實驗(yan)中，提(ti)高效(xiao)率。通(tong)過模(mo)拟三(san)維渦(wo)街流(liu)場🛀三(san)角柱(zhu)繞流(liu)現象(xiang)，将升(sheng)、阻力(li)頻率(lü)進行(hang)對比(bi)，驗證(zheng)了可(ke)将FLUENT用(yong)于三(san)維渦(wo)街流(liu)場的(de)仿真(zhen)中。并(bing)從不(bu)同流(liu)速和(he)不同(tong)截流(liu)夾角(jiao)兩方(fang)面分(fen)别考(kao)慮，對(dui)比分(fen)析了(le)三維(wei)渦街(jie)信号(hao)的信(xin)号強(qiang)度，得(de)出夾(jia)角在(zai)1°～7°範圍(wei)，對信(xin)号強(qiang)度的(de)影💞響(xiang)不大(da)，超過(guo)了7°以(yi)後影(ying)響🐅變(bian)大。從(cong)而爲(wei)以後(hou)的實(shi)驗做(zuo)出理(li)論指(zhi)導。進(jin)一步(bu)的研(yan)究可(ke)以通(tong)過對(dui)不同(tong)⛹🏻‍♀️形狀(zhuang)的🌈旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)取不(bu)同截(jie)流夾(jia)角和(he)不同(tong)流速(su)進行(hang)仿真(zhen)對比(bi)研究(jiu)。

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