1 引言
   随(sui)着計算機(ji)技術、數值(zhi)計算技術(shu)的發展，現(xian)代模拟仿(pang)真技😍術計(ji)算流體力(li)學（computational　fluid　dynamics，CFD）也随之(zhi)而生。它是(shi)對純理論(lun)和純實💁驗(yan)方法很好(hao)的促進和(he)補充。CFD作爲(wei)一門新🌈興(xing)學科，它力(li)求🐆通過數(shu)🙇🏻值實驗替(ti)代實物實(shi)驗，采用💞虛(xu)拟流場來(lai)模拟真📞實(shi)流場内部(bu)的流體流(liu)動情況，從(cong)而使得實(shi)驗研究更(geng)加方便，研(yan)究場景更(geng)加豐富可(ke)編程。
FLUENT軟件(jian)提供了多(duo)種基于非(fei)結構化網(wang)格的複雜(za)物理模型(xing)，并針對不(bu)同物理問(wen)題的流動(dong)特點創建(jian)出不同的(de)數值🚶‍♀️解法(fa)。用戶可根(gen)據實際需(xu)求自由選(xuan)擇，以💔便在(zai)計📐算速度(du)、穩定性和(he)精度等方(fang)面達到最(zui)佳，提🈚高設(she)計效率。
  關(guan)于渦街流(liu)量計 的發(fa)生體數值(zhi)模拟研究(jiu)，主要集中(zhong)在渦街發(fa)生體形狀(zhuang)和尺寸上(shang)。Yamasaki指出發生(sheng)體的形狀(zhuang)與幾何參(can)數和渦街(jie)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量🤞計的(de)❌流量特性(xing)（儀表系數(shu)、線性度、重(zhong)複性、測量(liang)範圍）與阻(zu)力特性存(cun)在相當大(da)的🌈關聯關(guan)系。S.C.Luo等人研(yan)究旋渦發(fa)生體尾緣(yuan)形狀🏃‍♀️以及(ji)迎流角度(du)對渦街性(xing)能的影響(xiang)，在風洞和(he)水槽實驗(yan)中，得出在(zai)全長相等(deng)的情況下(xia)，旋渦強度(du)随尾緣夾(jia)角的增大(da)而減⛱️小。彭(peng)傑綱等人(ren)在50mm口徑管(guan)道氣流量(liang)實驗中，通(tong)過對不同(tong)尾緣夾角(jiao)角度♉的旋(xuan)渦發生體(ti)進🥵行實驗(yan)研究，得出(chu)旋渦發生(sheng)體尾緣的(de)夾角爲41.8°時(shi)具有很好(hao)♻️的線性度(du)。賈雲飛等(deng)人通過對(dui)二維渦街(jie)流場中的(de)壓力場進(jin)行數值仿(pang)真研究，得(de)出T形發生(sheng)體産生的(de)旋渦信号(hao)的強度要(yao)優于三角(jiao)柱發生體(ti)。
    渦街流量(liang)計利用流(liu)體振動原(yuan)理進行流(liu)量測量。選(xuan)取了應力(li)式渦街流(liu)量計進行(hang)研究。它通(tong)過壓電檢(jian)測元件獲(huo)取電壓頻(pin)率，再根據(ju)流體流量(liang)與渦街頻(pin)率成正比(bi)得出被測(ce)流♋量。在過(guo)去的渦街(jie)流量計研(yan)究中，一直(zhi)将研究重(zhong)點放在真(zhen)🌈實流場實(shi)驗中，但這(zhe)需要重複(fu)更換口徑(jing)、調節流量(liang)，大大降低(di)了工作效(xiao)率。爲解決(jue)此問題，采(cai)用三維渦(wo)街流場數(shu)值分析的(de)✨方法對内(nei)部流場的(de)變化進行(hang)研究。
    通過(guo)FLUENT軟件對三(san)維渦街流(liu)場進行數(shu)值仿真，并(bing)将不同🌂流(liu)速😄下的✉️升(sheng)、阻力系數(shu)進行比較(jiao)，驗證數值(zhi)仿真可行(hang)性。并通過(guo)改變管截(jie)面與截流(liu)面之間的(de)夾角，在低(di)、中、高速流(liu)速下，進行(hang)取壓，最終(zhong)得出随着(zhe)夾角的不(bu)同，信号強(qiang)度不同。夾(jia)角在1°～7°範圍(wei)，對信号強(qiang)度的衰減(jian)影響不大(da)，超過7°以後(hou)對信号強(qiang)度影響變(bian)大，并随着(zhe)流速的增(zeng)加，趨勢越(yue)來越強。
2 升(sheng)、阻力系數(shu)
    旋渦脫落(luo)時，流體施(shi)加給柱體(ti)一個垂直(zhi)于主流的(de)周🚩期🔞性交(jiao)變作用力(li)，稱爲升力(li)。由于柱體(ti)兩側交替(ti)的釋放旋(xuan)渦時，剛釋(shi)放完渦流(liu)的一側柱(zhu)面，擾流改(gai)善，側面總(zong)壓力降低(di)；将要釋放(fang)渦流的另(ling)一側柱面(mian)，擾流較差(cha)，側面總壓(ya)力較大，從(cong)🔞而形成一(yi)🌈個作用在(zai)三角柱上(shang)、方💁向總是(shi)指向剛釋(shi)放完渦流(liu)那一側的(de)作用力，所(suo)以升力的(de)交變頻率(lü)🔞和旋渦的(de)脫落頻率(lü)一緻，升力(li)的變化規(gui)律和🏃‍♂️旋渦(wo)的變化規(gui)律一緻，因(yin)而通過監(jian)視柱面上(shang)的升力變(bian)化規律，可(ke)以反映旋(xuan)渦脫落規(gui)律。
    阻力系(xi)數反映的(de)是柱體迎(ying)流方向上(shang)的作用力(li)變👉化⁉️情況(kuang)，每當柱體(ti)兩側不管(guan)哪一邊的(de)釋放旋渦(wo)一次，迎流(liu)方向上的(de)作用力都(dou)會随壓力(li)變化有規(gui)律🛀🏻地變化(hua)一次，因此(ci)，升力⛹🏻‍♀️系數(shu)變化的一(yi)個周期内(nei)，阻‼️力系數(shu)變化爲兩(liang)個周期。
3 三(san)維渦街流(liu)場模拟的(de)可行性分(fen)析
3.1 幾何建(jian)模與網格(ge)劃分
圖1是(shi)在ANSYS　Workbench中建立(li)的三維渦(wo)街流量計(ji)幾何模型(xing)。其中管道(dao)口徑50mm，管道(dao)長1000mm，旋渦發(fa)生體截流(liu)面寬度14mm，管(guan)截面🤞與截(jie)🔞流面夾角(jiao)爲α。

對(dui)幾何模型(xing)進行非結(jie)構網格劃(hua)分，作爲數(shu)值模拟🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)載體💃，如圖(tu)2所示。

3.2 仿真參數(shu)設置
在FLUENT中(zhong)，三維渦街(jie)流場參數(shu)設置如下(xia)：
1）流體：空氣(qi)（air）；
2）湍流模型(xing)：Renormalization－group（RNG）k－ε模型；
3）邊界(jie)條件
①流速(su)入口邊界(jie)：根據需要(yao)設置不同(tong)流速、湍流(liu)動能和耗(hao)🚩散🔴率；
②壓力(li)出口邊界(jie)：零壓；
4）求解(jie)器：基于壓(ya)力的三維(wei)雙精度瞬(shun)态求解器(qi)；
5）數值計算(suan)過程：SIMPLE算法(fa)。
3.3 升、阻力變(bian)化頻率的(de)計算結果(guo)及分析
圖(tu)3所示速度(du)等值。三維(wei)渦街流場(chang)在夾角爲(wei)0°，入口流速(su)🙇‍♀️爲5m/s的情況(kuang)♻️下的速度(du)等值線圖(tu)。

    通過仿真(zhen)模拟，圖4給(gei)出流速u＝5m/s時(shi)，作用在三(san)角柱上的(de)升力系數(shu)和阻力系(xi)數變化曲(qu)線。由圖5升(sheng)力系數的(de)FFT曲線可以(yi)看出其頻(pin)率爲FL＝87.92Hz。從圖(tu)6阻力系數(shu)的FFT曲線可(ke)以看出其(qi)頻率爲FD＝176.43Hz，約(yue)爲升力系(xi)數變化頻(pin)率的2倍。

    爲(wei)了驗證将(jiang)FLUENT用于渦街(jie)流量計的(de)三維流場(chang)仿真的可(ke)行性，對不(bu)同流速下(xia)的升、阻力(li)頻率進行(hang)比較，如表(biao)1所示。可以(yi)看💜出阻力(li)系數變化(hua)頻率是升(sheng)力系數變(bian)化頻🙇‍♀️率的(de)2倍✉️，說明用(yong)FLUENT進行渦街(jie)流量計的(de)三維仿真(zhen)是可行的(de)。

4 仿真結果(guo)
    基于上述(shu)通過升、阻(zu)力變化頻(pin)率的關系(xi)驗證出利(li)用FLUENT對三維(wei)渦街流場(chang)進行仿真(zhen)是可行的(de)。本節應用(yong)FLUENT對截流夾(jia)角、流速和(he)信号強度(du)之間的關(guan)系進行了(le)🔅仿真研究(jiu)。分别取7m/s、40m/s和(he)70m/s的流速α的(de)角度在👨‍❤️‍👨0°～10°範(fan)圍内取值(zhi)（發生體的(de)安裝偏差(cha)一般不會(hui)超過10°），進行(hang)數值仿真(zhen)。記錄信号(hao)強度，如表(biao)2所示。

    将表(biao)2的數據繪(hui)制成圖7，将(jiang)圖7中流速(su)爲7m/s的數據(ju)放大如✍️圖(tu)8所示。觀察(cha)圖7、8，可以直(zhi)觀的反應(ying)出夾角、流(liu)速與信号(hao)強度的關(guan)系變化。通(tong)♻️過對比這(zhe)3張圖可以(yi)看出，信号(hao)強度随着(zhe)夾角、流速(su)的不同而(er)不同。并從(cong)圖中得出(chu)結論：
1）渦街(jie)的信号強(qiang)度與流速(su)成正比，随(sui)着流速的(de)增加，旋渦(wo)脫落頻🛀🏻率(lü)信号強度(du)會顯著增(zeng)加。
2）在流速(su)相同的情(qing)況下，随着(zhe)夾角的增(zeng)大，信号強(qiang)度逐💋漸⭕減(jian)小，并随着(zhe)夾角的增(zeng)大，信号強(qiang)度的衰減(jian)程度也逐(zhu)漸增大🔴。夾(jia)角在1°～7°範圍(wei)，對信号強(qiang)度的衰減(jian)影響不大(da)，可忽略，超(chao)過7°以後對(dui)信号強度(du)影響變大(da)，不可忽略(lue)。
3）在夾角相(xiang)同的情況(kuang)下，随着流(liu)速的增大(da)，信号強度(du)衰💋減趨勢(shi)越來越明(ming)顯。

5 結論
    流(liu)場仿真在(zai)渦街流量(liang)計的設計(ji)和完善中(zhong)正變得🥰越(yue)🥰來越重🤞要(yao)，它通過理(li)論支持指(zhi)導仿真的(de)可實施性(xing)，并将仿真(zhen)結論用于(yu)實驗中，提(ti)高效率。通(tong)過模拟三(san)維渦街流(liu)場三角柱(zhu)繞流現象(xiang)，将升、阻力(li)頻率進行(hang)對比，驗💔證(zheng)了可将FLUENT用(yong)于三維渦(wo)街流場的(de)仿真中。并(bing)從不同流(liu)速和不同(tong)截流夾角(jiao)兩方面分(fen)别考慮🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，對(dui)比分析了(le)三維渦街(jie)信号的信(xin)号強度，得(de)出夾角在(zai)1°～7°範圍，對信(xin)号強度的(de)影響不大(da)，超💃過了7°以(yi)後影響🏃🏻‍♂️變(bian)大。從而爲(wei)以後的實(shi)驗做出理(li)論指導♊。進(jin)一步的研(yan)究可以🔆通(tong)過對不同(tong)形狀的旋(xuan)渦發生體(ti)取不同⁉️截(jie)流夾角和(he)不同流速(su)進行仿真(zhen)對比研究(jiu)。

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