摘要:通過FLUENT對典(dian)型的渦街流量(liàng)計 在低溫流體(ti)中的卡門渦街(jie)流場特性進行(háng)理論分析和數(shu)值😘仿真,并與常(chang)溫工況下的渦(wo)街流場進行比(bi)較,分析低溫流(liu)體的旋👄渦分離(lí)過程,得出流量(liang)與📞渦街分離頻(pin)率的對應關系(xì)。研究表明,數值(zhi)仿真方♍法成本(ben)低,适于模拟複(fú)雜流場,爲低溫(wen)渦街流量計在(zài)渦街發生體形(xing)狀和壓✏️電振動(dong)傳感器采樣位(wèi)置的設計與優(yōu)化提供理論依(yi)據。.
1引言
　　渦街流(liu)量計具有儀表(biǎo)系數穩定、瞬時(shí)流量測量正确(què)、量程範圍寬、壓(ya)力損失小、結構(gou)和檢測方式組(zu)合多樣、便于安(ān)裝維護等諸👌多(duo)特點，在流量測(ce)量領域占有重(zhong)要地位。常溫下(xia)的渦街流量計(ji)技術已經相🍓當(dang)成熟，至🌈今已發(fa)展🎯爲多種旋渦(wo)發生體形式及(ji)不同檢測方法(fǎ)✂️，系列化的産品(pin)應用于各種工(gong)業領域。但用于(yú)低溫(特别是超(chāo)低溫,如❓液氫、液(yè)氧、液氮🧑🏽‍🤝‍🧑🏻)流體測(ce)量的渦街流量(liang)計才剛剛起步(bù)，國外已在近期(qī)開展了研究,在(zai)國外航天領域(yù)的低溫流體👄流(liú)量測量🍓中使用(yong)效果良好，并逐(zhu)步有産品推向(xiàng)市場。目前,中國(guo)國内少有低溫(wen)渦街流量計的(de)産品和文獻系(xì)統報導。
　　在超低(di)溫下，信号感測(cè)器靈敏度下降(jiàng),因此必須産生(shēng)更💃🏻加強烈穩定(dìng)的旋渦,才能提(ti)高信噪比,滿足(zú)精度要求。此外(wài)，液氫、液氧和液(ye)氮等低溫流體(ti)的物性☁️極爲特(te)殊,其黏度極低(di)📧,極易産生空穴(xué)。衆所周知,旋渦(wo)發生體形狀和(hé)檢測位置對渦(wo)街流量⁉️計的測(cè)量🌈質量影響很(hen)大，,但是受檢測(ce)條件和手段的(de)限制，難以對其(qí)影響進💃🏻行有效(xiào)評價。利🙇🏻用計算(suan)流體力學(CFD)數💁值(zhi)仿真的方法模(mó)拟不同旋渦發(fa)生體渦街流量(liàng)傳感器内部流(liú)場,進而确定旋(xuan)渦發生體形狀(zhuang)以及檢測點位(wei)置❗,對渦街流量(liang)傳感器的優化(hua)具有重要的⭐指(zhǐ)導意義。本文根(gen)據低溫流體(以(yǐ)液氮爲例)的物(wù)性參數和流體(tǐ)力學理論,對⁉️低(di)溫渦街的流場(chǎng)進行理🆚論計算(suàn)和數值仿真,分(fèn)析低溫流體渦(wō)街的産生過程(chéng),對比低溫渦街(jiē)和常溫渦街流(liu)場分🥰布的異同(tóng),爲低溫渦街流(liu)量計的⛱️設計和(he)優化提供理論(lùn)依據。
2低溫渦街(jiē)特性理論分析(xī)
2.1渦街流量計的(de)工作原理
　　在流(liu)體中設置旋渦(wō)發生體,就會從(cóng)旋渦發生體兩(liǎng)♋.側⛷️交替地産🛀生(sheng)有規則的旋渦(wō),這種在旋渦發(fa)生體下遊非對(duì)稱排列的旋渦(wō)🌍列即卡門渦街(jie)。根據卡門渦街(jiē)原💘理,旋渦頻率(lǜ)ƒ有如下關🈲系式(shì):
 
　　式中:ƒ爲旋渦頻(pín)率,Hz;Sr爲斯特勞哈(hā)爾數,無量綱,與(yǔ)旋渦發🌈生🔞體形(xing)狀及雷諾數Re有(you)關,在Re=2×104-7x106範圍内可(ke)視爲常數，例如(rú)三角柱發生體(tǐ)🥰的斯特勞哈爾(er)數爲Sr=0.16;V爲測量管(guan)内被測介質的(de)平均流速，m/s;m爲發(fā)生體兩側弓形(xíng)流通🏒面積之和(hé)與測量管♻️的橫(héng)街面積之比,計(jì)算如下:
 
　　式中:D爲(wei)渦街流量計管(guǎn)道口徑,m;d爲旋渦(wō)發生體迎流面(miàn)寬度,m,對于三角(jiǎo)柱發生體而言(yán),d=0.28D。
　　渦街流量計的(de)儀表系數K:
 
　　式中(zhōng):K爲渦街流量計(ji)儀表系數,m-3;qv爲管(guǎn)道内被測介質(zhì)的體積流量,m³/s。
　　可(kě)見儀表系數K與(yǔ)旋渦發生體、管(guan)道的幾何尺寸(cun)及斯🧑🏽‍🤝‍🧑🏻特勞👄哈爾(er)數Sr有關。但在Sr可(ke)視爲常數的雷(léi)諾數範圍内,K就(jiu)隻與旋渦發生(shēng)體形狀和管道(dào)幾何尺寸有關(guan),因此渦街流量(liang)計輸出的脈沖(chòng)頻率信号不受(shòu)流體物性和組(zǔ)分變化的影響(xiǎng)，隻要正确測得(dé)旋渦頻率ƒ,就可(ke)正确得知被測(ce)流體的流速U和(he)體積流量qv,給.信(xin)号的測量提供(gong)了依據。
2.2低溫渦(wō)街流量與頻率(lǜ)特性
　　圓管傳輸(shū)流體的雷諾數(shù)Re爲:
 
　　式中:ν爲流體(ti)運動黏度,m/s。
　　渦街(jie)流量計測量液(ye)體的最低流速(sù)一般≥0.3m/s,最大流速(su)應≤7m/s。以口徑100mm的渦(wo)街流量計爲例(lì)，在測量液氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時(shí),其雷諾數Re的上(shàng)下限🛀爲:1.53x105≤Re≤3.58x106，滿足斯(sī)特勞哈爾數Sr可(kě)視爲常數的雷(léi)諾🎯數範圍。因此(ci),渦街流量🏃‍♀️計的(de)特性在原理上(shang)也可以适用于(yú)液氮的低溫工(gōng)況流量測❄️量。
　　依(yī)據式(3)可以計算(suàn)出口徑100mm的渦街(jie)流量計的儀表(biao)系數K=1123m-3.
3低溫渦街(jie)的流場仿真模(mó)型建立.
3.1FLUENT在渦街(jiē)仿真中的應用(yong)
　　計算機高性能(neng)運算的不斷提(tí)高使計算流體(ti)力學👉(CFD)技術更加(jiā)實用,越來越完(wan)善的流體計算(suàn)模型開始被商(shāng)業化的CFD軟🥵件所(suo)采用，如FLUENT集成了(le)衆多湍流模型(xíng)、LES模型JDES模型、化學(xué)反應模㊙️型、多相(xiang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流模型♌等研究(jiū)成果。近年，在渦(wō)街流量計設計(ji)和優化中,越來(lai)越多的采🈲用了(le)FLUENT等CFD軟件進行數(shù)值仿真,大大節(jie)省了開發成本(ben)和周期,并且對(dui)其内部流場有(you)了更加深刻和(hé)直觀的理解。
　　通(tōng)過兩維渦街流(liu)場的仿真,研究(jiū)了雷諾數和剪(jian)切率對渦🍓結構(gou)的影響。通過FLUENT對(duì)渦街流量計流(liu)場進行了數值(zhí)仿真,據此優化(huà)設計渦街流量(liàng)計結構，選取取(qu)壓位置。研究🆚旋(xuán)渦發生體前後(hòu)壓差與流速之(zhī)間的關系，提📞出(chu)了利用單一差(cha)壓傳感器測🈲量(liàng)質量流✌️量的新(xīn)方法。通過FLUENT對梯(ti)形⛱️發生體與T形(xing)發生體的渦街(jiē)流場進行模拟(ni)對比研究,并🌏得(de)到了檢測點位(wei)置。以上研究者(zhě)的工作表明,利(lì)用FLUENT仿真能夠較(jiào)真實的反🐉映渦(wō)街流量計的内(nèi)部流場特性,在(zai)渦街流量計的(de)開發過🐕程中扮(ban)演越來越重要(yao)的角色。
3.2建模與(yu)網格劃分
　　渦街(jiē)流量計的二維(wéi)仿真結構模型(xing)如圖1所示,管道(dao)口徑爲D=100mm,三角柱(zhù)旋渦發生體迎(ying)流面寬度d=28mm,頂角(jiǎo)θ=19°,符合♍該管道口(kǒu)徑下的行業标(biao)準。渦街流量計(ji)的網格劃分采(cai)用四邊形結構(gòu)化網格,根據區(qu)域🏒的不規則程(chéng)度和流場的複(fu)雜程❌度對不同(tóng)🤩子區域進行分(fèn)别劃分。
 
3.3求解條(tiáo)件設置
　　爲了能(néng)夠計算得到流(liu)場的正确解,必(bì)須給定合理的(de)邊界條件和流(liu)體物性,并選擇(zé)合适的求解器(qì)和計算模型🔞。渦(wō)街✌️流場爲非定(ding)常流動，雷諾數(shu)較高,對渦街流(liu)⁉️場仿真的求解(jie)條件如表1設置(zhì)。
 
4仿真結果分析(xī)
4.1低溫渦街的形(xíng)成過程
　　圖2表示(shi)了一個旋渦形(xing)成周期T内不同(tóng)時刻的渦街二(er)維流場圖,直觀(guān)反映了渦街的(de)形成、脫落過程(cheng)。可💋以看到邊界(jiè)層在渦街發生(sheng)體的兩側平行(háng)棱邊開始減速(su)增壓運動,并伴(bàn)有倒流現象。倒(dao)流沿着壁面向(xiang)後伸展使邊界(jiè)層明顯增厚,同(tong)時旋渦的尺寸(cun)不🛀斷增大。當旋(xuán)渦增加到一🚩定(ding)程度後,就從發(fa)生體上脫落分(fen)離，随着流體向(xiang)下遊運動,形成(chéng)振蕩尾流。在旋(xuán)渦的中🚶‍♀️心形成(cheng)低壓區,會随着(zhe)旋渦的交替産(chan)生和脫落過程(chéng),在流場中形成(cheng)周期性變化的(de)壓力場,壓力場(chang)的變化頻率與(yu)🈲旋渦脫落頻率(lǜ)--緻。壓電式渦🏒街(jiē)流量計即是通(tōng)過檢測流場内(nèi)振蕩尾流中特(te)定點處的壓力(lì)變化頻率來測(ce)定流速。
 
4.2低溫渦(wo)街仿真結果正(zhèng)确率驗證
　　由于(yu)低溫渦街試驗(yàn)條件受限,低溫(wen)渦街仿真結果(guǒ)和理論計算值(zhí)與相同結構尺(chǐ)寸的常溫渦街(jie)流量🛀計在❄️水介(jie)質中的校驗數(shu)據進行比對。如(rú)圖3所示,試🌍驗與(yǔ)仿真曲線的線(xiàn)性度都很好，而(ér)且低溫介質與(yu)常溫介質的數(shù)據比🏃‍♂️較一緻,驗(yan)證了斯特勞哈(hā)爾數St與儀表系(xi)數K不随介質與(yǔ)溫度影響的📐特(te)性。分析結果可(ke)知:渦街⭕流量計(ji)儀表系數的試(shì)驗值與理論計(ji)算值之間的相(xiàng)對誤差在3%之内(nèi);仿真值與試驗(yàn)值之間的相對(dui)誤差在5%之内,說(shuo)明所采取的仿(pang)真方法比較正(zhèng)确,驗證了FLUENT數值(zhi)仿真技術用于(yú)低溫渦街⭐流量(liàng)計流場仿真的(de)可行性。
 
4.3低溫渦(wō)街與常溫渦街(jiē)的流場分布對(dui)比
　　圖4比較了低(di)溫渦街與常溫(wen)渦街的流場分(fèn)布,由于液氮的(de)粘度❓比水低很(hen)多,流體内部的(de)分子間引力和(he)碰撞較🐉弱，流體(tǐ)間的相對運動(dong)阻力較大，造成(cheng)低🛀🏻溫渦街的流(liú)場中速度梯度(dù)較大,表現🥰爲旋(xuán)渦尺寸比常溫(wen)工況下的旋渦(wo)小。因此，相比常(chang)溫⛹🏻‍♀️下壓電傳🌈感(gǎn)器的安置位置(zhi)而言，檢測振蕩(dang)尾流🥵中旋渦列(liè)的💞低溫渦街的(de)傳感器就要更(gèng)靠近渦街發生(shēng)體,這在設計低(dī)溫渦街流🏃‍♀️量計(ji)時必須特殊考(kǎo)慮。
　　能量的相對(dui)集中導緻了壓(yā)力梯度(主要爲(wei)動壓)也比較大(da)。但必須注意到(dao)，在旋渦發生體(tǐ)前後的壓差使(shi)液體介質釋🔞放(fang)出氣體而在渦(wo)街發生體末端(duan)附💛近産.生空穴(xue),這在低溫工況(kuàng)下尤爲嚴重。因(yin)此,必須在渦街(jie)流量計下遊🤞設(shè)置背壓🈲以避免(miǎn)空化現象的🙇🏻影(yǐng)響。同時也說明(ming)了采用安置在(zài)渦街發生體上(shang)測⚽量交變壓差(cha)或🔱壓力脈動的(de)測量方法,并不(bu)适用于低溫工(gōng)況下的渦街信(xin)号✏️檢測。
5結論
(1)通(tong)過對低溫渦街(jiē)流場的CFD仿真模(mo)拟,圖示了低溫(wen)渦🈲街♊的形成和(he)脫落過程,便于(yú)更好地分析和(hé)理解渦街特性(xìng)。
(2)分析渦街流量(liang)計儀表系數的(de)理論計算數據(jù)、試驗數據與仿(pang)真數據,驗證了(le)将FLUENT數值仿真技(jì)術用于渦街流(liu)☔量計内部✨流場(chǎng)分析的有效性(xìng),可以作爲渦街(jiē)流量計的優化(huà)設計的理論指(zhǐ)導依據。
(3)對低溫(wen)渦街和常溫渦(wō)街的流場分布(bu)進行對比,從低(di)黏度流體🐆介質(zhi)物性的角度解(jie)釋了低溫渦街(jiē)流場的特殊性(xing),并對低‼️溫渦🏒街(jie)壓電傳感器位(wei)置設置提出了(le)🔱有益建議。

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