摘要(yao)：目前對于(yu)渦街流量(liang)計 漩渦發(fa)生體的位(wei)置研究僅(jin)局限于二(er)維的仿真(zhen)研究，但實(shi)際流體撞(zhuang)擊漩渦發(fa)生體是流(liu)體三維模(mo)型🌈。鑒于二(er)維仿真并(bing)不能完全(quan)對實際流(liu)體撞擊漩(xuan)渦發生體(ti)的流場進(jin)行驗證，采(cai)用數值仿(pang)❓真軟件平(ping)Ansys+Workbench+FLUENT，根據實際(ji)渦街發生(sheng)體的機械(xie)尺寸建立(li)相應的三(san)維仿真模(mo)型。并對仿(pang)真模型進(jin)行網格細(xi)🏃‍♀️分，再通過(guo)N—s方㊙️程進行(hang)求解計👣算(suan)，通過仿真(zhen)與在線實(shi)驗對比驗(yan)證🐉表明通(tong)過FIUENT軟件對(dui)實際渦街(jie)流場進行(hang)仿真的可(ke)行性‼️。最終(zhong)利用FLUENT軟件(jian)，對不同流(liu)速，通過調(diao)整發生體(ti)平移的位(wei)置最終确(que)定發生體(ti)位置對渦(wo)街信号的(de)影♉響，從而(er)确定發生(sheng)體允許最(zui)大的平移(yi)位置占。
1引(yin)言
　　随着渦(wo)街流量計(ji)在國内各(ge)行各業的(de)使用量逐(zhu)漸增大，各(ge)高校♍、研究(jiu)所和流量(liang)計生産廠(chang)商的學者(zhe)和研究🏃人(ren)員也對此(ci)展開了各(ge)方面的研(yan)究，渦街流(liu)場的數值(zhi)仿真的研(yan)究和🔞實現(xian)也是其中(zhong)一個重點(dian)]。
　　基于渦街(jie)流量計的(de)測量原理(li)渦街發生(sheng)體的設計(ji)要求就尤(you)爲重要，而(er)在實際設(she)計生産當(dang)中不能保(bao)證發♊生體(ti)的中心位(wei)置在管道(dao)的中軸線(xian)上，發生體(ti)☎️與管道💯中(zhong)軸線偏離(li)多少會對(dui)📐最終的測(ce)量産生影(ying)響需要重(zhong)📞複更換發(fa)生體，操作(zuo)起來費時(shi)費力。鑒于(yu)以上原因(yin)對進行對(dui)渦街發生(sheng)體移動位(wei)置進行仿(pang)☂️真研究，通(tong)過仿真結(jie)果來指導(dao)💃🏻物理實驗(yan)，并根據物(wu)理實驗結(jie)果進一步(bu)完善傳感(gan)器結構。
2渦(wo)街流量計(ji)原理
　　渦街(jie)流量計利(li)用流體振(zhen)動原理進(jin)行流量測(ce)量，在特🎯定(ding)的流動條(tiao)件下,流體(ti)-部分動能(neng)轉化爲振(zhen)動,其振動(dong)頻率😘與流(liu)速(流量)有(you)确定的比(bi)例關系。1878年(nian)斯特勞哈(ha)爾(Strouhal)發表了(le)關于流體(ti)振動頻率(lü)與流速關(guan)系的文章(zhang)的。渦街流(liu)量計的基(ji)本原理是(shi):在與🎯被測(ce)介質流向(xiang)垂直的🥵方(fang)向放置--個(ge)🤩非流線型(xing)旋🐆渦發生(sheng)體，當流體(ti)流過該旋(xuan)渦發生體(ti)時，在發生(sheng)體後方兩(liang)側交替地(di)分離釋放(fang)出兩列規(gui)👉則的交錯(cuo)排列的旋(xuan)渦，稱爲馮(feng).卡爾曼渦(wo)街們，如圖(tu)1所示。當旋(xuan)渦發生體(ti)右(或左)下(xia)方産生一(yi)個旋渦🌈後(hou)，在旋渦發(fa)生體上産(chan)生一🌈個升(sheng)力。在旋渦(wo)發🚩生體的(de)後方安裝(zhuang)應力⁉️式壓(ya)電傳感器(qi)，可以将作(zuo)用在旋渦(wo)發生體上(shang)的升力轉(zhuan)換爲電荷(he)信号。該電(dian)荷信号的(de)變化頻率(lü)與旋渦的(de)脫離頻率(lü)一.緻。通過(guo)檢測電荷(he)信号的變(bian)化頻率，就(jiu)可以得到(dao)旋渦的分(fen)離頻率口(kou)。

3渦街(jie)流場模型(xing)分析
　　雷諾(nuo)時均方程(cheng)的方法求(qiu)解出來的(de)是流動變(bian)量的針對(dui)時👉間的⛷️平(ping)均值.無法(fa)給出流場(chang)結構的詳(xiang)細信息，體(ti)現不出湍(tuan)流流⭕動的(de)瞬時性特(te)點。大渦模(mo)拟(LargeEddySimulation,LES)是近代(dai)湍流研究(jiu)中,用計算(suan)機直接求(qiu)解☔N-S方程的(de)一種方法(fa),它從空間(jian)的角度對(dui)大渦進行(hang)直接模拟(ni)，對小🙇‍♀️渦進(jin)行模型化(hua)處理，從而(er)使得網格(ge)要求比DNS低(di)。其基本思(si)想是;将流(liu)🐉動的區域(yu)分爲兩個(ge)部分:一部(bu)分是可通(tong)過求🏃解定(ding)常三維N-S方(fang)程獲得的(de)大尺度渦(wo)旋流動部(bu)分，另一部(bu)分是不需(xu)要直接計(ji)算可采用(yong)通用模型(xing)獲得的小(xiao)尺度部分(fen)。
　　LES的控制方(fang)程是對N-S方(fang)程在波數(shu)空間或物(wu)理空間進(jin)行過濾得(de)到的。過濾(lü)的過程是(shi)去掉比過(guo)濾寬度或(huo)者給定物(wu)🚶‍♀️理寬度小(xiao)的旋渦，從(cong)而得到大(da)旋渦的控(kong)制方程。對(dui)于均勻湍(tuan)流🚶‍♀️,常用卷(juan)積濾波定(ding)義變量的(de)🌈大尺度成(cheng)分:


　　爲了直(zhi)觀得到渦(wo)街信号真(zhen)實的流動(dong)曲線及流(liu)場分布,本(ben)課題采用(yong)LES湍流模型(xing)來模拟渦(wo)街流場。在(zai)CFD-Post中.選用二(er)階迎風🐪差(cha)分格式及(ji)SIMPLE算法”進行(hang)仿真。如圖(tu)2爲流體流(liu)經三角柱(zhu)發生體時(shi)的流線圖(tu)，可以從圖(tu)中清晰地(di)看到旋渦(wo)的産生、脫(tuo)落,以及渦(wo)街流量計(ji)的工作流(liu)場。

4三維渦(wo)街流場仿(pang)真
　　通過FLUENT軟(ruan)件對實際(ji)管道中的(de)流場進行(hang)仿真,其中(zhong)在使用FLUENT設(she)🆚置相關參(can)數時是根(gen)據實際管(guan)道中發生(sheng)體的尺🏃寸(cun)進行配🏃🏻置(zhi),圖3爲實際(ji)管道中發(fa)生體在管(guan)道🚶中平移(yi)後的三❤️視(shi)圖。

　　發(fa)生體中心(xin)線平行于(yu)基準軸線(xian)。這種情況(kuang)下，會産生(sheng)🌏位置偏差(cha)，平移距離(li)記作δ。如圖(tu)4所示。

　　在Geometry中(zhong)建立發生(sheng)體中心線(xian)平行于基(ji)準軸線的(de)三維幾何(he)模型。如🥰圖(tu)5所示。


　　可以(yi)從圖7中看(kan)出即使發(fa)生體位置(zhi)與理想位(wei)置存在💃🏻偏(pian)♻️差，仍然會(hui)出現旋渦(wo)脫落現象(xiang)。并且當發(fa)生體上側(ce)💃的旋渦從(cong)産生到脫(tuo)落時.發生(sheng)體下側在(zai)爲旋渦的(de)産生做準(zhun)🏃備，而不會(hui)産生旋渦(wo)。同時當上(shang)側旋渦離(li)開發生體(ti)一段✍️距離(li)以後，下側(ce)才開💋始出(chu)現旋渦。
　　發(fa)生體在理(li)想位置時(shi)産生的旋(xuan)渦是交替(ti)排列的，而(er)發生🈲體在(zai)中心線發(fa)生平移的(de)情況下，會(hui)根據δ的不(bu)同使得旋(xuan)渦脫落📐後(hou)朝中心線(xian)相對基準(zhun)軸線平移(yi)的方❄️向碰(peng)撞到管壁(bi)。針對此現(xian)象對低速(su)(4m/s)、中速(40m/s)和高(gao)速(70m/s)流速✨下(xia)進行仿真(zhen)研究，并将(jiang)數據記錄(lu)到表1中📐。

　　爲(wei)了更爲直(zhi)觀地反映(ying)出圖8中不(bu)同流速下(xia)的旋渦信(xin)号強度随(sui)平移位置(zhi)的變化規(gui)律,現将表(biao)1中的旋渦(wo)信号強度(du)用🈚表2的偏(pian)移程度來(lai)表示。

　　将(jiang)表2中的數(shu)據繪制成(cheng)圖8。從圖中(zhong)可以看出(chu)信号強度(du)随着偏移(yi)距離，流速(su)的不同而(er)不同。并且(qie)得出以下(xia)結論:無論(lun)是低速🐉(4m/s).中(zhong)速🌈(40m/s)、還是高(gao)速(70m/s)流速下(xia),随着平移(yi)距離的增(zeng)加，信号強(qiang)度減弱,偏(pian)移程度增(zeng)加。平移🌈距(ju)離越小🏃，偏(pian)移程度越(yue)小,随着平(ping)移距離的(de)增加，平移(yi)距離與偏(pian)移程度近(jin)似于平方(fang)關系。
　　通過(guo)觀察低速(su)(4m/s)、中速(40m/s)和高(gao)速(70m/s)流速下(xia)渦街流場(chang)中旋渦的(de)産生-脫落(luo)圖，可以發(fa)現，當平移(yi)距離較小(xiao)時，會👈在發(fa)生體尾部(bu)生成🆚兩列(lie)規則排列(lie)的旋渦。繼(ji)續增加偏(pian)移🆚距離，會(hui)⭕出現旋渦(wo)發生體尾(wei)部産生交(jiao)替排列的(de)旋渦向發(fa)生體尾部(bu)産生📞的旋(xuan)渦碰撞到(dao)管壁的過(guo)渡點。流✨速(su)爲4m/s時，過渡(du)點在0.3d處;流(liu)速爲40m/s和70m/s時(shi)，過渡點在(zai)0.4d處。也就是(shi)說，當流速(su)爲4m/s,平移距(ju)離爲0.3d、0.4d和0.5d時(shi)🐪，發生體産(chan)生的旋渦(wo)會碰撞到(dao)管壁;當流(liu)速爲40m/s或70m/s,偏(pian)移距離爲(wei)0.4d和0.5d時，發生(sheng)體産🐇生的(de)旋渦會碰(peng)撞到管壁(bi)。
5仿真與實(shi)際流速對(dui)比
　　實驗室(shi)使用50mm口徑(jing)液體流場(chang)進行實驗(yan)其中實驗(yan)裝置如圖(tu)9所🐅示,由于(yu)限制本實(shi)驗主要針(zhen)對低流速(su)下進行實(shi)驗仿真對(dui)比👨‍❤️‍👨。

　　渦街流(liu)量計安裝(zhuang)在閥門的(de)下遊,由于(yu)閥門上遊(you)連接的，水(shui)箱在水泵(beng)不斷送水(shui)的狀态下(xia)一-直呈溢(yi)出狀态，因(yin)此⭕可認爲(wei)上📐遊水箱(xiang)的液位是(shi)穩定的。實(shi)驗中通過(guo)調節閥門(men)的開度達(da)到控制回(hui)路中流量(liang)大小，同時(shi)與仿真中(zhong)的🌐流速進(jin)行對比，其(qi)中δ爲發生(sheng)體💃平移距(ju)離。

6結論
　　流(liu)場仿真在(zai)渦街流量(liang)計傳感器(qi)設計以及(ji)優化傳感(gan)器設計變(bian)得越來越(yue)重要,它通(tong)過理論支(zhi)持指導仿(pang)真的可🌈實(shi)施🚶性，并☂️将(jiang)仿真結論(lun)用于實驗(yan)中,大大縮(suo)短了設計(ji)周期。
　　通過(guo)模拟三維(wei)渦街流場(chang)以及渦街(jie)流量計的(de)漩渦發🚶生(sheng)體,通過改(gai)變發生體(ti)與管道基(ji)準軸的距(ju)離從而得(de)🙇🏻到不同的(de)漩渦信号(hao)👅,通過仿真(zhen)與實際管(guan)道流☎️體的(de)實✌️驗對比(bi)可以看出(chu),在發生體(ti)中心線相(xiang)對于基準(zhun)軸線發生(sheng)平移的情(qing)況下📱，渦街(jie)流場🥰的旋(xuan)渦信号強(qiang)度是流體(ti)流速和平(ping)移距離的(de)共同作用(yong)結果,同時(shi)在發生體(ti)偏離中心(xin)軸在0.05d以内(nei)則不影響(xiang)💋渦街流量(liang)計的最終(zhong)測🌈量精度(du),這爲實際(ji)設計發生(sheng)體做💰出理(li)論指導。

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