摘(zhai)要:爲了研究(jiu)渦街流量計(ji) 内部流場結(jie)構,通過GAMBI軟件(jian)的非結構化(huà)網格技術和(hé)FLUENT軟件的RNGke模型(xing)對渦街流量(liang)計的流場進(jin)行了三維數(shu)值模🌐拟,描繪(huì)了渦街産生(sheng)🌈和脫落過程(chéng),着重分析了(le)壁面壓力分(fen)布随渦街脫(tuō)落的演變情(qíng)況。結果表明(míng):渦街流場中(zhōng)靠近旋渦發(fa)生體的壁面(miàn)靜壓有較明(ming)顯的波動,在(zai)距離旋渦發(fa)生體一定範(fan)圍内,越靠近(jin)旋渦發生體(tǐ),靜壓幅度越(yuè)大;而在對稱(cheng)于管道🧡軸線(xiàn)的位置,壁面(miàn)靜壓幅度相(xiàng)等,相位相反(fǎn)。該研究爲優(you)化渦街流量(liang)計的結構設(shè)計和測量性(xìng)🆚能提供了有(yǒu)益的參考。
0引(yin)言
　　渦街流量(liàng)計是近年發(fa)展勢頭良好(hao).優點突出的(de)一類新💞型流(liu)量測量裝置(zhi)。它利用在特(te)定的流動條(tiáo)件下流體部(bù)分動能産生(shēng)流體振動,且(qie)振動頻率與(yu)流量成正🔱比(bǐ)這一特征關(guan)系來進行工(gōng)作😍。隻要采用(yòng)合适的檢測(ce)方法從與渦(wo)街脫落相伴(ban)的周期振動(dong)的流速、壓力(lì)中提取出頻(pin)率🐕,那麽,就可(ke)以得到管道(dao)内被測流體(tǐ)的流🌈量值川(chuān)。渦街流㊙️量計(jì)的性能在很(hen)大程度上受(shou)到渦街流場(chǎng)結構及其内(nèi)部參數的時(shí)空♍分布的影(yǐng)響。因此,研🈲究(jiū)渦街流量計(ji)内部流動特(tè)性對優化其(qi)🔞測量性能具(jù)有十分重要(yao)的意義。
　　由于(yú)旋渦發生體(tǐ)的阻流作用(yong),渦街在管道(dao)内的流動是(shì)強烈的❗非線(xian)性時變湍流(liu),難以解析地(di)求得流場分(fèn)布情況,所以(yǐ),至今人們對(duì)旋渦發生體(tǐ)後旋渦形成(chéng)和脫落過程(chéng)的認識幾乎(hu)全部依賴于(yú)經驗和實驗(yàn)。随着計算機(ji)技術的飛速(sù)發展,建立在(zài)經典流體力(lì)學與數值方(fang)法基礎上的(de)計算流體動(dong)力學爲💋人們(men)研究複雜流(liu)動問題提供(gong)了一種有效(xiao)的解決🐅方法(fa),通過計算機(jī)數值計算方(fāng)法和📐圖像顯(xiǎn)示技術,可以(yǐ)得到在時間(jian)和空間.上定(ding)量描述❓流場(chǎng)的數值解。
　　目(mù)前,人們對渦(wō)街流場的數(shu)值模拟逐漸(jiàn)從二維過🏒渡(dù)到和渦方法(fǎ)等。國内外研(yan)究人員采用(yòng)了各種數值(zhí)算法對不同(tóng)形狀旋渦🤩發(fa)生體在不同(tóng)雷諾數下進(jin)行了模拟計(ji)算。總體💚.上說(shuō)來,在雷諾數(shu)較小時,數🐉值(zhí)模拟的✍️結果(guo)與實際情況(kuàng)符合較好,但(dan)是,在雷諾⭐數(shu)較大時,各種(zhong)因素對渦街(jiē)的影響十分(fèn)複雜,數值模(mo)拟的結果還(hai)不盡如人意(yi),許多問題還(hái)待于🈲進一步(bù)深入研究。
　　本(běn)文利用先進(jìn)的計算流體(ti)力學軟件FUENT及(ji)其前處理🙇🏻軟(ruǎn)件GAMBII對渦🈲街流(liú)量計内壁面(mian)壓力分布進(jin)行了數值模(mó)拟,目的在于(yu)獲得關于💞渦(wo)街流量計内(nèi)部流場的定(ding)性或半定量(liàng)的認識,爲優(yōu)化渦街流量(liang)計的結構設(shè)計和測🌂量性(xìng)能提供有益(yi)的參考。
1計算(suàn)域和網格
　　在(zài)模拟過程中(zhong),渦街流量計(jì)的計算域簡(jiǎn)化爲具有圓(yuán)🔞形🏃進出口邊(bian)界的軸對稱(cheng)三維幾何模(mo)型,坐标原點(diǎn)設在旋渦發(fa)生體迎流面(miàn)的中心,如圖(tu)1所示。管道内(nèi)徑爲50mm,旋渦發(fa)生體爲梯形(xíng)柱體,迎流面(miàn)寬度爲14mm.圖1給(gěi)出了:=0截🛀面(=軸(zhou)方向垂直紙(zhi)面向外)管道(dao)和旋渦發生(sheng)體的二維👨‍❤️‍👨計(jì)算域及其網(wang)格的示意😘圖(tu)。爲了真實地(di)模拟實際流(liu)動狀況，利用(yong)GAMBI軟件生成了(le)非結構化的(de)三角網格。由(yóu)于旋渦發🌍生(shēng)體附近流場(chǎng)變化劇烈,因(yīn)☔此,對其周圍(wéi)的網㊙️格進行(háng)了局部加密(mi)處理。不同流(liú)速的流動情(qing)況通過改變(biàn)入口速度來(lái)模拟。各求解(jie)變量收斂殘(can)差值設置爲(wèi)1x105。入口邊界設(she)置爲沿管道(dào)軸向均勻速(sù)度入口,其他(tā)方向速度均(jun)爲0。出口邊界(jie)設置爲壓力(lì)出口,壓力出(chū)口🈚處的表壓(yā)爲0。管道和旋(xuan)渦發生💜體均(jun)設置爲固體(tǐ),并且,壁面🥰處(chu)無滑移。
 
2控(kòng)制方程和計(ji)算參數
　　與其(qí)他流動過程(cheng)相同,渦街流(liú)動的數學模(mo)型也是建立(lì)在質量守恒(heng)定律.上的連(lian)續方程、動量(liàng)守恒定🛀🏻律上(shang)的運動方程(cheng)和🔞熱力學第(dì)一定律.上的(de)本構方🔆程基(ji)礎上的。綜☂️合(he)考慮仿真精(jing)度和計算成(cheng)本,采用RNGke兩方(fāng)程模型。
　　雷諾(nuo)平均NavierSlokes方程組(zǔ)爲
 
　　式中μ爲流(liú)體動力粘度(du);μt爲流體湍動(dong)粘度;δtf爲Koneck符号(hào);k爲湍流脈☁️動(dòng)♋動能。
 
　　式中Gk爲(wei)湍流動能生(shēng)成項;Gb爲湍流(liú)動能擴散項(xiang);ε爲流🏃🏻‍♂️體脈動(dòng)動能🛀🏻的耗散(sàn)率;YAT爲湍流動(dòng)能耗散項;αk,αs。分(fèn)别爲✉️kε的逆有(you)效普朗特數(shu);Sk,S爲自定義源(yuan)項。
有效粘度(dù)公式爲
 
3結果(guo)分析
　　圖2給出(chū)了介質爲水(shui)、入口速度爲(wei)15m.s1時的渦街流(liu)場中靜壓🛀和(he)⚽動壓的分布(bù)情況。其他介(jie)質和入口速(sù)度時的計算(suan)結果相似。可(kě)以看出:旋渦(wo)從渦街發生(shēng)體兩側交替(tì)脫離形成渦(wo)街👣,分離點在(zai)梯形柱的銳(rui)邊上。流體流(liu)過旋渦發生(shēng)體後,旋渦在(zai)向下遊✨運動(dòng)的同時,旋渦(wo)強度也逐漸(jian)由強變弱。相(xiàng)應的,靜壓和(he)動壓也都是(shì)在旋渦發生(sheng)體附近較強(qiáng),在向下遊運(yun)動的過程中(zhōng)強度也逐📞漸(jian)減弱。顯然,旋(xuán)渦🌐的周期性(xing)變化使流場(chǎng)内各種參數(shu)✨都随之發生(shēng)交替的波動(dòng),因此，通過檢(jian)測渦街尾流(liú)中周期變🧡化(hua)的某一參數(shù)可以📧獲取渦(wō)街流動特征(zheng)。由于動壓的(de)檢測比較困(kun)難,需要将測(ce)量件伸入管(guan)道内,因此,不(bú)适宜作爲反(fan)映渦街特♻️性(xing)的被測特征(zheng)參數。而管壁(bi)📞處靜壓的測(cè)量相對來說(shuo)要簡單容易(yì)得多,取壓裝(zhuāng)置垂直于流(liu)動方☔向且位(wèi)于管壁上,同(tóng)時其值隻需(xu)采用普通的(de)動态壓力傳(chuán)感器即可測(ce)得。
 
　　爲了定量(liang)比較渦街流(liú)場空間中不(bú)同位置處靜(jing)壓🔞的大小,圖(tú)3給出了靜壓(ya)在計算域中(zhong)平行流向的(de):=0,y=245mm和垂直流向(xiang)的:=0,x=25mm兩條直線(xian)上的計算結(jié)果。可以看到(dào),渦街流場中(zhong)靠近旋渦發(fā)生體管✏️壁處(chù)的靜壓有較(jiào)明顯的波動(dòng),，沿流動方向(xiang)靜壓在0~50mm區間(jiān)内波動明顯(xian)、幅度最大,即(jí)在距離旋渦(wo)發生體一定(ding)範🤩圍内,越靠(kao)近🔴旋渦發生(shēng)體,靜壓幅度(dù)越大;而在垂(chuí)直流動方向(xiàng)上管道内壁(bi)處的靜🔅壓也(yě)具有較大的(de)⭐幅度。圖4給出(chu)了計㊙️算域中(zhong):=0平面上一對(duì)軸對稱管壁(bi)處🤟監測點P1(10,245,0)和(hé)Pi(10,24.5,0)靜壓的計算(suàn)值。從圖中可(kě)👄以看出:管壁(bi)處軸對稱的(de)2點靜壓波動(dong)的幅度🆚和頻(pín)率相等而相(xiang)位相🐕反,因此(cǐ)，若☎️在靠近旋(xuan)渦發生體的(de)軸對稱管壁(bi)上設置兩個(gè)取🤩壓點測量(liàng)差壓,則可構(gòu)成差動♉結構(gòu),獲得的信号(hào)更強便于檢(jiǎn)測,通過測得(dé)的靜壓差可(ke)以檢測管内(nei)渦街流動特(tè)性。
 
4結束語
1)流(liú)體流過旋渦(wo)發生體後,旋(xuán)渦在向下遊(yóu)運動的同時(shí)，旋渦強度逐(zhu)漸由強變弱(ruò),旋渦的周期(qi)性變化使流(liu)場🈲内靜壓和(he)動壓等各種(zhǒng)參數都随之(zhī)發生交替的(de)波動;
2)渦街流(liú)量計中靠近(jin)旋渦發生體(tǐ)的壁面靜壓(yā)有較明顯的(de)波動,在距離(lí)旋渦發生體(ti).定範圍内,越(yue)靠近旋渦發(fa)生體,壁面靜(jìng)❤️壓幅度越大(da),而在對稱于(yú)管道軸線的(de)✂️位置,壁🏃‍♂️面靜(jìng)壓💚幅度相♌等(deng)而相位相反(fan)。.
　　總之,渦街流(liu)量計内壁面(miàn)壓力可以較(jiao)好地表征渦(wo)街脫🆚落的過(guò)程,通過采用(yong)合适的檢測(cè)和信号處理(li)方法可以🐪使(shǐ)人.們從多個(ge)角度來提取(qu)渦街特性。并(bing)且,關于渦街(jie)流量計内部(bù)流場的定性(xìng)或半定量的(de)認識将有助(zhu)于優化渦街(jie)流量計的結(jié)構設計及其(qi)測量性能。

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