摘要:通(tong)過FLUENT對典型(xing)的渦街流(liu)量計 在低(di)溫流體中(zhong)的卡門渦(wo)街流場特(te)性進行理(li)論分🆚析和(he)♌數值仿真(zhen),并與常溫(wen)工況下的(de)渦街流場(chang)進行比較(jiao),分析低溫(wen)流體♻️的旋(xuan)渦分離過(guo)程,得出流(liu)量與渦街(jie)分離頻率(lü)🌈的對應關(guan)系。研究表(biao)明🧡,數值仿(pang)真方法成(cheng)本低,适于(yu)模拟複雜(za)流場,爲低(di)溫渦街流(liu)量計在渦(wo)街發生✉️體(ti)形狀和壓(ya)電振動傳(chuan)感器采樣(yang)位置🎯的設(she)計與優化(hua)提供理論(lun)依據。.
1引言(yan)
　　渦街流量(liang)計具有儀(yi)表系數穩(wen)定、瞬時流(liu)量測量正(zheng)确、量程範(fan)🤩圍寬、壓力(li)損失小、結(jie)構和檢測(ce)方式組合(he)多樣🌈、便于(yu)安裝維護(hu)等諸📞多特(te)點，在流量(liang)測量領域(yu)🥰占有重要(yao)地位。常溫(wen)下的渦街(jie)流量計技(ji)術已經相(xiang)✔️當成熟，至(zhi)今已發展(zhan)爲多種旋(xuan)渦發生體(ti)形式及不(bu)同檢測方(fang)法，系列化(hua)的産品應(ying)用于各種(zhong)工業領域(yu)。但用于低(di)溫(特别是(shi)超低溫,如(ru)🈲液氫、液氧(yang)、液氮)流體(ti)測量的渦(wo)街流量計(ji)才剛剛起(qi)步，國外已(yi)在近期開(kai)♌展了研究(jiu),在國外航(hang)☔天領域的(de)低溫流🏃‍♂️體(ti)流量測量(liang)中使用效(xiao)果良好，并(bing)逐步有産(chan)品推向市(shi)場。目前,中(zhong)國國内少(shao)有低溫渦(wo)街流量計(ji)的産品和(he)文獻系統(tong)🐕報導。
　　在超(chao)低溫下，信(xin)号感測器(qi)靈敏度下(xia)降,因此必(bi)須産生更(geng)加⚽強烈🏒穩(wen)定的旋渦(wo),才能提高(gao)信噪比,滿(man)足精度要(yao)求。此外，液(ye)氫、液氧和(he)液氮等低(di)溫流體的(de)物性極爲(wei)特殊,其黏(nian)度極低,極(ji)易産生空(kong)穴。衆所周(zhou)知,旋渦發(fa)生體⭐形狀(zhuang)和檢測位(wei)置對渦街(jie)流量💚計的(de)測量♊質量(liang)影響很大(da)，,但是受檢(jian)☀️測條件和(he)手段的限(xian)制，難🙇‍♀️以對(dui)其影響進(jin)行有效評(ping)價。利用計(ji)算流體力(li)🔞學(CFD)數值仿(pang)真的方法(fa)模拟不同(tong)旋渦發生(sheng)體渦街流(liu)量傳感器(qi)内部流場(chang),進而确定(ding)旋渦發生(sheng)體形狀以(yi)及檢測點(dian)位置,對渦(wo)街流量傳(chuan)感器的優(you)化具有重(zhong)要的指導(dao)意義。本文(wen)根♉據低溫(wen)‼️流體(以液(ye)氮爲👌例)的(de)物性參數(shu)和流體力(li)學理論,對(dui)✌️低溫渦街(jie)的流場進(jin)行理☀️論計(ji)算和數值(zhi)仿真,分析(xi)低溫流體(ti)渦街的産(chan)生過程,對(dui)比低✂️溫渦(wo)街和常溫(wen)渦街流場(chang)分布🙇🏻的異(yi)同,爲低溫(wen)渦街流量(liang)☂️計的設計(ji)和優化提(ti)供理論依(yi)據。
2低溫渦(wo)街特性理(li)論分析
2.1渦(wo)街流量計(ji)的工作原(yuan)理
　　在流體(ti)中設置旋(xuan)渦發生體(ti),就會從旋(xuan)渦發生體(ti)兩.側交替(ti)地産🔱生有(you)規則的旋(xuan)渦,這種在(zai)旋渦發生(sheng)體下遊非(fei)對稱排🤞列(lie)的🍓旋渦列(lie)即卡門渦(wo)街。根據卡(ka)門渦街原(yuan)理,旋渦⚽頻(pin)率ƒ有如下(xia)關💜系式:
 
　　式(shi)中:ƒ爲旋渦(wo)頻率,Hz;Sr爲斯(si)特勞哈爾(er)數,無量綱(gang),與旋渦發(fa)👣生體形🐇狀(zhuang)🈲及雷諾數(shu)Re有關,在Re=2×104-7x106範(fan)圍内可視(shi)爲常數，例(li)如三角柱(zhu)發生體的(de)斯特勞哈(ha)爾數爲Sr=0.16;V爲(wei)測量管内(nei)被測介質(zhi)的☁️平均流(liu)速，m/s;m爲發生(sheng)體兩側弓(gong)形流通面(mian)積之和與(yu)測量管🔞的(de)橫街面積(ji)之比,計算(suan)如下:
 
　　式中(zhong):D爲渦街流(liu)量計管道(dao)口徑,m;d爲旋(xuan)渦發生體(ti)迎流面寬(kuan)度🍉,m,對于三(san)角柱發生(sheng)體而言,d=0.28D。
　　渦(wo)街流量計(ji)的儀表系(xi)數K:
 
　　式中:K爲(wei)渦街流量(liang)計儀表系(xi)數,m-3;qv爲管道(dao)内被測介(jie)質的體積(ji)流量,m³/s。
　　可見(jian)儀表系數(shu)K與旋渦發(fa)生體、管道(dao)的幾何尺(chi)寸及斯特(te)勞哈💋爾數(shu)Sr有關。但在(zai)Sr可視爲常(chang)數的雷諾(nuo)數範圍内(nei),K就隻與旋(xuan)📧渦發🌏生體(ti)形狀和管(guan)道幾何尺(chi)寸有關,因(yin)此渦街流(liu)量計輸出(chu)的脈沖頻(pin)率信号不(bu)受流體物(wu)性和組分(fen)變化的影(ying)響，隻🥵要正(zheng)确測得旋(xuan)渦頻率ƒ,就(jiu)可正确得(de)知被測流(liu)體的流速(su)U和🔞體積流(liu)量qv,給.信号(hao)的測量🤞提(ti)供了依據(ju)。
2.2低溫渦街(jie)流量與頻(pin)率特性
　　圓(yuan)管傳輸流(liu)體的雷諾(nuo)數Re爲:
 
　　式中(zhong):ν爲流體運(yun)動黏度,m/s。
　　渦(wo)街流量計(ji)測量液體(ti)的最低流(liu)速一般≥0.3m/s,最(zui)大流速應(ying)≤7m/s。以口徑100mm的(de)👣渦街流量(liang)計爲例，在(zai)測量液氮(dan)(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其雷諾(nuo)數Re的上🔅下(xia)限爲:1.53x105≤Re≤3.58x106，滿足(zu)斯特勞哈(ha)爾數Sr可視(shi)爲常數的(de)雷諾數範(fan)圍。因此,渦(wo)街流量計(ji)的特😘性在(zai)原理上也(ye)可以适用(yong)于液氮的(de)低溫工❓況(kuang)流量測♊量(liang)。
　　依據式(3)可(ke)以計算出(chu)口徑100mm的渦(wo)街流量計(ji)的儀表系(xi)數K=1123m-3.
3低溫渦(wo)街的流場(chang)仿真模型(xing)建立.
3.1FLUENT在渦(wo)街仿真中(zhong)的應用
　　計(ji)算機高性(xing)能運算的(de)不斷提高(gao)使計算流(liu)體力學🔴(CFD)技(ji)術更加實(shi)用,越來越(yue)完善的流(liu)體計算模(mo)型開始被(bei)商業化的(de)CFD軟☂️件所采(cai)用，如FLUENT集成(cheng)了衆多湍(tuan)流模型、LES模(mo)型JDES模型、化(hua)學🏃🏻反應模(mo)型、多相⛱️流(liu)模型等研(yan)究成果。近(jin)年，在渦街(jie)流量計設(she)計和優化(hua)中,越來👉越(yue)多的采用(yong)了FLUENT等CFD軟件(jian)進行數值(zhi)仿真,大大(da)節省了開(kai)發成本和(he)周期,并且(qie)對其内部(bu)流場有了(le)更加深刻(ke)和直觀的(de)理解。
　　通過(guo)兩維渦街(jie)流場的仿(pang)真,研究了(le)雷諾數和(he)剪切💯率🌐對(dui)渦⭐結構的(de)影響。通過(guo)FLUENT對渦街流(liu)量計流場(chang)進行了數(shu)值仿真,據(ju)此優化設(she)計渦街流(liu)量計結構(gou)，選取取壓(ya)位置。研究(jiu)旋渦發✍️生(sheng)體前後壓(ya)差與流速(su)之間的關(guan)系，提出了(le)利用單一(yi)差壓傳感(gan)器測量質(zhi)量流量的(de)新方法。通(tong)過FLUENT對梯形(xing)發生體與(yu)T形發生體(ti)的渦街流(liu)場進行模(mo)♻️拟對比研(yan)究,并得到(dao)了檢測點(dian)位置。以上(shang)研究㊙️者的(de)工💃作表明(ming),利用FLUENT仿真(zhen)能夠較真(zhen)實的反映(ying)渦街流量(liang)計的内部(bu)流場特性(xing),在💋渦🔴街流(liu)量計的開(kai)發過程中(zhong)扮演越來(lai)越重要的(de)角色。
3.2建模(mo)與網格劃(hua)分
　　渦街流(liu)量計的二(er)維仿真結(jie)構模型如(ru)圖1所示,管(guan)道🔴口徑爲(wei)D=100mm,三角柱旋(xuan)渦發生體(ti)迎流面寬(kuan)度d=28mm,頂角θ=19°,符(fu)合該管道(dao)口徑下的(de)行業标準(zhun)。渦街流量(liang)計的網格(ge)劃💁分采用(yong)四邊形結(jie)構化網格(ge),根據區域(yu)的不規則(ze)程度和流(liu)場的複雜(za)程度對不(bu)同🈲子區域(yu)進行分别(bie)劃分。
 
3.3求解(jie)條件設置(zhi)
　　爲了能夠(gou)計算得到(dao)流場的正(zheng)确解,必須(xu)給定合理(li)的邊界條(tiao)件和流體(ti)物性,并選(xuan)擇合适的(de)求解器和(he)計算🛀模型(xing)。渦街流場(chang)爲非♈定常(chang)流動，雷諾(nuo)數較高,對(dui)♻️渦街流場(chang)仿真的求(qiu)解條件如(ru)表1設置。
 
4仿(pang)真結果分(fen)析
4.1低溫渦(wo)街的形成(cheng)過程
　　圖2表(biao)示了一個(ge)旋渦形成(cheng)周期T内不(bu)同時刻的(de)渦街二維(wei)流🤞場圖,直(zhi)觀反映了(le)渦街的形(xing)成、脫落過(guo)程。可😘以看(kan)到邊🌏界層(ceng)在渦街發(fa)💜生體的兩(liang)側平行棱(leng)邊開🌏始減(jian)速增壓運(yun)動,并伴✊有(you)倒流現象(xiang)。倒流沿着(zhe)壁面向後(hou)伸展使邊(bian)界層明顯(xian)增厚,同時(shi)旋渦的尺(chi)寸不👅斷增(zeng)大。當旋渦(wo)增加到一(yi)定程度後(hou),就從發生(sheng)體上脫落(luo)分離，随着(zhe)流體向下(xia)遊運動,形(xing)成振蕩尾(wei)❌流。在旋渦(wo)的中心形(xing)成低壓區(qu),會随着旋(xuan)渦的交替(ti)産生和脫(tuo)落過程,在(zai)流場💰中形(xing)成周期性(xing)變化的壓(ya)力場,壓力(li)場的變化(hua)頻率與旋(xuan)渦脫落頻(pin)率--緻。壓電(dian)㊙️式渦街流(liu)量計即是(shi)通過檢測(ce)💛流場内振(zhen)蕩尾流中(zhong)特定點處(chu)的壓力變(bian)化頻率來(lai)測定流速(su)。
 
4.2低溫渦街(jie)仿真結果(guo)正确率驗(yan)證
　　由于低(di)溫渦街試(shi)驗條件受(shou)限,低溫渦(wo)街仿真結(jie)果💋和理論(lun)計算值與(yu)相同結構(gou)尺寸的常(chang)溫渦街流(liu)量計在水(shui)介質中🧡的(de)校驗數據(ju)進行比對(dui)。如圖3所示(shi),試驗與仿(pang)💰真曲線的(de)線性度都(dou)很好，而且(qie)🌈低溫介質(zhi)與常溫介(jie)質的數據(ju)比較一緻(zhi),驗證了斯(si)特勞哈爾(er)數St與儀表(biao)系數K不随(sui)介質與🔞溫(wen)度影響的(de)特性。分析(xi)結果可知(zhi):渦街流量(liang)計儀表系(xi)數的試驗(yan)值與理論(lun)計算值之(zhi)間的相對(dui)誤差在3%之(zhi)内;仿真值(zhi)與試驗值(zhi)之🙇‍♀️間的相(xiang)對誤差在(zai)5%之内,說明(ming)所采取的(de)仿真方法(fa)比較正确(que),驗🔅證了FLUENT數(shu)值仿😍真技(ji)術用于低(di)溫渦街流(liu)量💁計流場(chang)仿真的可(ke)♋行性。
 
4.3低溫(wen)渦街與常(chang)溫渦街的(de)流場分布(bu)對比
　　圖4比(bi)較了低溫(wen)渦街與常(chang)溫渦街的(de)流場分布(bu),由于液💛氮(dan)的粘🥰度💁比(bi)水低很多(duo),流體内部(bu)的分子間(jian)引力和碰(peng)撞較弱，流(liu)體間的相(xiang)對運動阻(zu)力較大，造(zao)成低🌈溫渦(wo)街的流場(chang)✊中速度梯(ti)度較大,表(biao)現㊙️爲旋渦(wo)尺寸比常(chang)溫工✂️況下(xia)的旋渦小(xiao)。因此🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，相比(bi)常溫下壓(ya)電傳🧡感器(qi)的安置位(wei)置而言，檢(jian)測振蕩尾(wei)流中旋渦(wo)列的🏃🏻‍♂️低溫(wen)渦街的🌈傳(chuan)感器就要(yao)更靠近渦(wo)街發生體(ti),這在🛀設計(ji)低溫渦街(jie)流量計時(shi)必須特殊(shu)考慮。
　　能量(liang)的相對集(ji)中導緻了(le)壓力梯度(du)(主要爲動(dong)壓)也比🐅較(jiao)大。但必🐅須(xu)注意到，在(zai)旋渦發生(sheng)體前後的(de)壓差使液(ye)體介質釋(shi)放出氣體(ti)而在渦街(jie)發生體末(mo)端附近産(chan).生🐕空穴,這(zhe)🆚在低溫❌工(gong)況下尤爲(wei)嚴重。因此(ci),必須在渦(wo)街流量計(ji)下遊設置(zhi)背壓😄以避(bi)免空化現(xian)象的🧡影響(xiang)。同時也說(shuo)明了采用(yong)☔安置在渦(wo)街發生體(ti)上測🔞量交(jiao)變壓差或(huo)壓力脈動(dong)的測量方(fang)法,并不适(shi)用于低溫(wen)工況下的(de)渦街信号(hao)檢測。
5結論(lun)
(1)通過對低(di)溫渦街流(liu)場的CFD仿真(zhen)模拟,圖示(shi)了低溫渦(wo)街的形成(cheng)和脫落過(guo)程,便于更(geng)好地分析(xi)和理解渦(wo)街特性。
(2)分(fen)析渦街流(liu)量計儀表(biao)系數的理(li)論計算數(shu)據、試驗數(shu)據與仿真(zhen)數據,驗證(zheng)了将FLUENT數值(zhi)仿真技術(shu)用于渦街(jie)流量計内(nei)部🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流場分(fen)析🈲的有效(xiao)性,可以作(zuo)爲渦街流(liu)量計的優(you)化設計的(de)理論指導(dao)依據。
(3)對低(di)溫渦街和(he)常溫渦街(jie)的流場分(fen)布進行對(dui)比,從🍉低黏(nian)度流體介(jie)質物性的(de)角度解釋(shi)了低溫渦(wo)街流🌈場的(de)特殊性,并(bing)對低⭕溫渦(wo)街壓電傳(chuan)感器位置(zhi)設置🏃🏻‍♂️提出(chu)了有益建(jian)議。

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