摘(zhāi)要：目前對于(yu)渦街流量計(jì) 漩渦發生體(tǐ)的位置研究(jiu)僅局限于二(èr)維的仿真研(yan)究，但實際🔞流(liu)體撞擊漩渦(wo)發生體是流(liú)體三維模型(xing)。鑒于二維仿(pang)真并不能完(wán)全對實際流(liú)體撞擊漩渦(wō)🏒發生體的流(liú)場進行驗證(zheng)，采用數值仿(pang)真軟件平Ansys+Workbench+FLUENT，根(gēn)據實際渦街(jie)發生體🛀的機(jī)械尺寸建立(lì)相應的三維(wéi)❓仿真模型。并(bing)對仿真模型(xing)🔴進行網格細(xi)分，再通過N—s方(fāng)📞程進行求解(jie)計算，通過仿(pang)真與在線實(shí)驗對比驗證(zhèng)表明通過✍️FIUENT軟(ruǎn)件對實際渦(wo)街流場進行(hang)仿真的可行(háng)性。最終利用(yong)FLUENT軟件，對不同(tong)流速，通過調(diao)🈲整發生體平(ping)移的位置最(zui)終确定發生(sheng)體位🧡置對渦(wō)街信号的影(yǐng)✉️響，從而确定(ding)發生體允許(xǔ)💃最大的平移(yi)位🈲置占。
1引言(yan)
　　随着渦街流(liú)量計在國内(nèi)各行各業的(de)使用量逐漸(jian)增大‼️，各高校(xiao)、研究所和流(liu)量計生産廠(chang)商的學者和(hé)研究人員也(yě)對🛀此展開了(le)各方面的研(yan)究，渦街流場(chang)🌏的數值仿真(zhen)的研究和實(shi)現也是其中(zhōng)一個重點]。
　　基(jī)于渦街流量(liàng)計的測量原(yuan)理渦街發生(sheng)體的設計要(yao)求就尤爲重(zhòng)要，而在實際(jì)設計生産當(dang)中不能保證(zhèng)發💛生體的中(zhong)心位置在管(guǎn)道的中軸線(xian)上，發生體與(yǔ)管道中軸線(xiàn)偏離多少會(huì)對最終的測(ce)量産生影響(xiǎng)需要重🎯複更(geng)換發生體，操(cāo)作起來費時(shí)費力。鑒于以(yi)上原因對進(jin)行對渦街發(fa)生體移動位(wèi)置進行仿真(zhen)研究，通過㊙️仿(pang)真結果來指(zhǐ)導✍️物理實驗(yan)，并根據物理(li)實驗結♋果進(jin)一步完善🌍傳(chuán)感器結構。
2渦(wo)街流量計原(yuan)理
　　渦街流量(liàng)計利用流體(tǐ)振動原理進(jìn)行流量測量(liang)，在特定的流(liú)動條件下,流(liu)體-部分動能(neng)轉化爲振動(dong),其振動頻率(lǜ)與流速(流量(liang))有确定的比(bi)例關系。1878年斯(sī)特勞哈爾⛷️(Strouhal)發(fā)表了✏️關于流(liu)體振動頻率(lǜ)與流速關系(xi)的文章的。渦(wo)街流量計的(de)基本原理是(shi):在與🔴被測介(jie)質👉流向垂直(zhí)的方向放置(zhi)--個非流線型(xíng)旋渦發生體(tǐ)，當流體流過(guò)該旋渦發生(shēng)體時，在發生(sheng)體後方兩🥰側(ce)交替地分離(lí)釋放出兩列(lie)規則的交錯(cuo)排列的旋渦(wō)，稱❌爲馮.卡爾(ěr)曼渦街們，如(ru)圖1所示。當旋(xuan)渦發生體右(you)(或🔴左)下方産(chǎn)生一個旋渦(wo)後，在旋渦發(fa)生體上産生(sheng)一個升力。在(zai)旋渦發⭐生體(tǐ)的後方安裝(zhuang)應力式壓電(dian)傳感器，可以(yǐ)将🔱作用在旋(xuán)渦🛀發生體上(shang)的升力轉換(huàn)爲🥵電荷信号(hao)。該電荷信号(hao)的變化頻率(lǜ)與旋渦的脫(tuo)離頻率一.緻(zhi)。通過檢測電(diàn)荷信号的變(biàn)化頻率，就可(ke)以得到旋渦(wo)的分離頻率(lǜ)口。

3渦街流(liu)場模型分析(xi)
　　雷諾時均方(fāng)程的方法求(qiu)解出來的是(shì)流動變量的(de)針對♌時間的(de)平均值.無法(fa)給出流場結(jié)構的詳細信(xìn)息，體現不出(chū)湍流流動的(de)瞬時性特點(diǎn)。大渦模拟(LargeEddySimulation,LES)是(shì)近代湍♈流研(yan)究❓中,用計算(suàn)機直接求解(jiě)🌈N-S方程的一種(zhǒng)💯方法,它從空(kōng)間的角度對(duì)大渦進行直(zhí)接模拟，對小(xiao)渦進行模型(xíng)化處理，從而(er)使得網格要(yao)🔞求比DNS低。其基(ji)本思想是;将(jiāng)🐆流動的區域(yù)分爲兩個部(bù)分:一部分是(shì)可通過求解(jiě)定常三維N-S方(fang)程獲得的大(dà)尺度渦旋流(liu)動部分，另一(yī)部分是不需(xū)要直接計算(suàn)可采用通用(yòng)模型獲得的(de)小尺度部分(fèn)。
　　LES的控制方程(chéng)是對N-S方程在(zài)波數空間或(huò)物理空間進(jìn)行過濾得💞到(dào)的。過濾的過(guo)程是去掉比(bi)過濾寬度或(huò)者給定物理(lǐ)寬度小的旋(xuan)渦，從而得到(dao)大旋渦的控(kong)制方程。對于(yu)均勻湍流,常(chang)用卷積濾波(bo)定義變量的(de)大尺度成分(fèn):


　　爲了直觀得(dé)到渦街信号(hao)真實的流動(dòng)曲線及流場(chǎng)分布,本課題(tí)❓采用LES湍流模(mo)型來模拟渦(wō)街流場。在CFD-Post中(zhong).選用🧑🏾‍🤝‍🧑🏼二階迎(ying)風差分☎️格式(shi)及SIMPLE算法”進行(hang)仿真。如圖2爲(wèi)流體流經三(sān)角柱發生體(ti)時的流線圖(tu)，可以從圖中(zhong)清晰地看到(dao)旋渦的産生(sheng)、脫落,以及渦(wo)街🌂流量計的(de)🐪工作流場。

4三(sān)維渦街流場(chǎng)仿真
　　通過FLUENT軟(ruan)件對實際管(guan)道中的流場(chǎng)進行仿真,其(qi)中在使用FLUENT設(she)置相關參數(shu)時是根據實(shi)際管道中發(fā)生體📐的尺✌️寸(cun)進行配置,圖(tú)3爲實際管道(dao)中發生體在(zài)管道中平移(yi)後的三🚶視圖(tu)。

　　發生(sheng)體中心線平(ping)行于基準軸(zhou)線。這種情況(kuang)下，會産生位(wei)置偏差，平移(yí)距離記作δ。如(rú)圖4所示。

　　在Geometry中(zhong)建立發生體(tǐ)中心線平行(hang)于基準軸線(xian)的三維幾何(he)模型。如圖5所(suǒ)示。


　　可以從圖(tu)7中看出即使(shi)發生體位置(zhì)與理想位置(zhì)存⛷️在偏差，仍(réng)然會出現旋(xuan)渦脫落現象(xiàng)。并且當發生(shēng)體上側的旋(xuan)渦從産生到(dào)脫落時.發生(sheng)體下側在爲(wèi)旋渦的産生(sheng)做準備，而不(bú)會産生旋渦(wō)。同時當上側(cè)旋渦離開發(fa)生體一段距(ju)離以後，下側(cè)才開始出現(xian)旋渦。
　　發生體(ti)在理想位置(zhi)時産生的旋(xuan)渦是交替排(pái)列的，而發👄生(shēng)體在中心線(xian)發生平移的(de)情況下，會根(gen)據δ的不同使(shi)得⁉️旋渦脫落(luò)👨‍❤️‍👨後朝🧑🏽‍🤝‍🧑🏻中心線(xiàn)相對基準軸(zhou)線平移的方(fang)向碰撞到管(guǎn)壁🙇🏻。針對此現(xian)象對低速(4m/s)、中(zhōng)速(40m/s)和高速(70m/s)流(liú)速下進行仿(páng)真研究，并💘将(jiāng)數據記錄到(dao)表1中。

　　爲了更(gèng)爲直觀地反(fan)映出圖8中不(bú)同流速下的(de)旋渦🌂信😘号強(qiáng)度随平移位(wei)置的變化規(gui)律,現将表1中(zhong)的旋渦信🚶‍♀️号(hào)強度用表2的(de)偏移🔞程度來(lái)表示。

　　将表(biǎo)2中的數據繪(hui)制成圖8。從圖(tu)中可以看出(chū)信号強度随(sui)着偏移距離(lí)，流速的不同(tóng)而不同。并且(qie)得出以下結(jie)論:無論是低(dī)速(4m/s).中速(40m/s)、還是(shi)高速(70m/s)流速下(xià),随着平移距(ju)離的增加☀️，信(xìn)号強度減弱(ruò),偏移程度增(zēng)加。平移🧑🏽‍🤝‍🧑🏻距離(li)越小，偏移程(chéng)度越小,随着(zhe)♍平移距離的(de)增加，平移距(jù)離與偏🧑🏽‍🤝‍🧑🏻移程(cheng)度近似于平(píng)方關系。
　　通過(guo)觀察低速(4m/s)、中(zhong)速(40m/s)和高速(70m/s)流(liú)速下渦街流(liú)場中旋渦的(de)🏃産生-脫落圖(tú)，可以發現，當(dāng)平移距離較(jiào)小時，會⭐在發(fa)生體尾部生(shēng)成兩列規則(ze)排列的旋渦(wo)。繼續增🚶‍♀️加偏(pian)移距離，會🏃🏻‍♂️出(chu)現旋渦發生(sheng)體尾部産生(shēng)交替排列的(de)旋渦向發生(shēng)體尾部産生(sheng)的旋渦碰🎯撞(zhuàng)到管壁的過(guò)渡點。流速爲(wei)4m/s時，過渡點在(zài)0.3d處;流速爲40m/s和(hé)70m/s時，過渡點在(zài)0.4d處。也就是說(shuō)，當流速爲4m/s,平(píng)☀️移距離爲0.3d、0.4d和(he)0.5d時🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，發生體産(chan)生的旋渦會(huì)碰撞到管壁(bi);當流速爲40m/s或(huò)70m/s,偏移距離爲(wèi)0.4d和0.5d時，發生體(tǐ)産生的旋渦(wō)會碰撞到管(guǎn)壁。
5仿真與實(shí)際流速對比(bǐ)
　　實驗室使用(yong)50mm口徑液體流(liu)場進行實驗(yàn)其中實驗裝(zhuang)置如🔞圖9所示(shi),由于限制本(běn)實驗主要針(zhēn)對低流速下(xià)進行實驗仿(pang)真對比🐉。

　　渦街流量計(ji)安裝在閥門(mén)的下遊,由于(yu)閥門上遊連(lián)接的🚶‍♀️，水箱⁉️在(zai)水泵不斷送(sòng)水的狀态下(xià)一-直呈溢出(chu)狀态，因此可(kě)認爲上遊水(shuǐ)箱的液位是(shì)穩定的。實驗(yan)中通過調節(jie)閥門的開度(du)達到控制回(huí)路中流量大(da)小，同時與仿(pang)真中的🔅流速(su)進行對比，其(qí)中δ爲發生體(tǐ)平移距離。

6結(jie)論
　　流場仿真(zhen)在渦街流量(liàng)計傳感器設(she)計以及優化(huà)傳感器設計(ji)變得越來越(yuè)重要,它通過(guo)理論支持指(zhi)導仿真的可(kě)實施性，并🌍将(jiang)仿真結論用(yòng)于實驗中,大(dà)大縮短了設(she)計周🤟期。
　　通過(guo)模拟三維渦(wo)街流場以及(jí)渦街流量計(jì)的漩渦⛷️發生(shēng)♉體,通過改變(bian)發生體與管(guǎn)道基準軸的(de)距離從⭐而得(de)到不同的漩(xuan)渦🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信号🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,通過(guò)仿真與實際(jì)管道流體的(de)實💰驗對比可(ke)以看出,在發(fā)生體中🈚心線(xiàn)相對于👣基準(zhǔn)軸線發生平(ping)移的情況下(xia)，渦街流場的(de)旋渦信号強(qiáng)度是流體流(liú)速和平移距(ju)離的共同作(zuò)用結果,同時(shi)在發生體偏(pian)離中心軸在(zài)0.05d以内則不影(ying)響渦街流量(liàng)計的最終測(ce)量精度💁,這爲(wèi)實際設計發(fā)生體做出理(li)論指導。

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