蒸汽作爲一(yi)種重要的二次清(qing)潔能源，在電廠、石(shi)油🈲化工、食品、機械(xie)加工等工業生産(chan)領域和人民的日(ri)常生活中🌂占據了(le)越來越重要的地(dì)位。爲了提高蒸💃🏻汽(qi)的計量水平，标準(zhǔn)孔闆、噴嘴以及渦(wo)街流量計等多種(zhǒng)類型的蒸汽儀表(biao)，而在衆多類型蒸(zhēng)汽儀表中，渦街流(liú)量計以其結構簡(jian)單、測量範圍寬、壓(yā)損小、測量時無可(kě)動件等優點💋在蒸(zheng)汽計量中得到快(kuai)速的推廣和使用(yòng)。
1 渦街流量計
　　渦街(jiē)流量計 ( 又稱旋渦(wo)流量計) 是根據 “卡(ka)門渦街”原理研制(zhi)成的流體振蕩式(shì)流量測量儀表。所(suo)謂 “卡門渦街🈲”現象(xiàng)就是在測量管道(dao)流動的流體中插(chā)入一🈲根 ( 或多⭕根) 迎(yíng)流面爲非流線型(xíng)的旋渦發生體，當(dāng)雷諾數達到一定(dìng)值時，從旋渦發生(sheng)體下遊兩側交替(ti)地分離釋放出兩(liang)串規則的交錯排(pai)列的旋渦，這種旋(xuan)渦稱爲卡門渦街(jie)。在一定雷❤️諾數範(fan)圍内，旋🛀🏻渦的分離(li)頻率與旋渦發生(sheng)體的幾何尺寸、管(guǎn)道的幾何尺寸有(you)關，旋渦的頻🍉率正(zheng)比于管道流體㊙️流(liú)量，并可🏃由各種型(xíng)式的傳感器檢出(chū)，渦街流量計工作(zuò)原理♋如圖 1 所示。

卡門渦街頻(pin)率計算公式爲:

　　式(shi)中: f 爲旋渦頻率; Sr爲(wèi)斯特勞哈爾數; m 爲(wèi)旋渦發生體❌兩側(ce)弓形面積與管道(dao)橫截面面積之比(bi)，不可壓縮流體中(zhong)，由于流體密度 ρ 不(bu)變，由連續性方程(cheng)可得到 m = U/U1。

　　不同介質(zhi)對渦街流量計性(xing)能的影響最終體(tǐ)現在儀表系㊙️數的(de)㊙️差異上，所以本文(wen)使用 Fluent 軟件建立渦(wō)街流量計的幾何(he)模型，然後對不同(tóng)介質下的流場進(jin)行仿真分析，并仿(páng)真得到不同🈲介質(zhi)下的儀表系數，最(zuì)終通過實驗驗證(zhèng)得到空氣和水作(zuo)爲替代介質導緻(zhi)的與蒸汽實流标(biao)定得到的儀表系(xì)的差異。
2 仿真模型(xing)與條件的設定
2. 1 仿(pang)真模型
　　選擇 DN100 口徑(jìng)的渦街流量計進(jin)行研究，利用 Gambit 軟件(jiàn)建立渦街流量計(jì)幾何模型并劃分(fèn)網格，渦街流量計(jì)發生體橫截面網(wang)格如圖 2 所示。

　　爲了(le)提高計算效率，渦(wō)街發生體處重點(dian)加密，其他區域适(shì)當🚶的稀疏。從圖 2 可(ke)以看出，渦街發生(shēng)體所處流場網格(ge)均勻加密。通過加(jiā)密畫法，靠近渦街(jie)發生體的橫截面(mian)網格較密，遠離渦(wo)街發生體而靠近(jìn)管壁的網格☀️較稀(xī)疏。
2. 2 仿真條件設定(dìng)
　　仿真選擇三種流(liú)體材質，分别爲空(kong)氣和蒸汽兩種可(kě)壓👉縮流體以及不(bu)可壓縮的水，在 Fluent 中(zhong)空氣和蒸汽材質(zhi)通過設定氣體的(de)密度選項來實現(xiàn)。對于不可壓縮流(liú)體選擇的密度爲(wèi)常數; 空氣介質選(xuan)擇默認密度 1. 225 kg/m3，其密(mi)度設定爲理想氣(qì)體，在叠代計算的(de)過程中，根據氣體(ti)狀态方程壓強的(de)變化修正流體的(de)密度; 蒸汽介質的(de)密度根據IF － 97 公式，利(lì)用 UDF 編程設置。
仿真(zhēn)模型選擇 ＲNG k － ε 雙方程(cheng)湍流模型，該模型(xing)可以很好地處理(li)高🚶‍♀️應變率以及流(liu)線彎曲程度較大(dà)的流體🛀🏻流動👣，非常(cháng)适合具有旋渦🈲脫(tuō)落現象的渦街流(liú)場仿真［8］。
3 流場仿真(zhēn)分析
　　根據公式 ( 1) 可(ke)知，影響渦街流量(liàng)計旋渦頻率的是(shi)發生體兩側的流(liu)速 U1和發生體的結(jié)構，由于發生體結(jie)🐇構尺寸是固定的(de)，因此頻率隻與 U1相(xiang)關，需要觀測在相(xiàng)同入口流速 U 的條(tiáo)件下 U1變化來得到(dao)頻率的變化，而速(su)度的變化必然💘會(hui)導緻流體密度的(de)變化，因此🈲可觀測(cè)發生⭐體兩側的密(mì)度雲圖，來判斷可(kě)壓縮性✌️對渦街流(liu)量計流速 U1的影響(xiǎng)，通過仿真得到如(ru)圖 3 ( a) 所示的不可壓(yā)縮流體發生體兩(liang)側的密度雲圖和(he)如圖 3 ( b) 所示的可壓(yā)縮流體發生體兩(liang)側的🌈密度雲圖。

　　由(you)圖 3 可以看出，不可(ke)壓縮流體的密度(dù)在仿真過程中❗沒(mei)有💚發生變化，可壓(ya)縮流體的密度發(fa)生了變化，必然會(huì)導緻兩🔞側速度 U1的(de)變化。可壓縮流體(tǐ)經過發生體後密(mi)度變小會導🌈緻 U1變(bian)大💚。
　　根據圖 3 得到的(de)結論，對渦街流量(liang)計進行蒸汽、空氣(qì)和水📐三種介質下(xià)的軟件仿真，設置(zhì)三種介質的入口(kǒu)流速均💛爲 50 m/s，取渦街(jiē)發生體迎流面側(ce)棱中點與管壁連(lián)線🈲，如圖 2 中線段 ab所(suǒ)示。取該線上的速(sù)度值，将蒸汽、空氣(qì)和水三種介質下(xia)的速度曲線進行(hang)比較，結🌈果如圖 4所(suo)示。

　　從圖 4 中可以看(kan)出，在靠近渦街發(fa)生體的位置，可壓(ya)縮流體流速明顯(xian)大于不可壓縮流(liú)體流速，且空氣的(de)流速要大于蒸汽(qì)介質的流速。因此(ci)空氣介質受氣體(tǐ)可壓縮性🌈的影響(xiang)較大。
　　渦街流量計(jì)的計量性能最終(zhong)反映到儀表系數(shu)上🈲，渦街流量計兩(liang)側的旋渦頻率決(jue)定了儀表系數的(de)大小✍️，圖 5 爲㊙️仿真👌得(dé)到的渦街流量計(ji)渦流流場靜壓雲(yun)圖。從圖中可以看(kàn)出⭕兩個明顯的脫(tuo)落旋渦。圖中 A 區域(yu)靜壓大，B 區域靜壓(ya)小。靜壓最小的位(wèi)置是 C 處，也就是脫(tuō)落旋渦的渦心位(wèi)置。檢測渦街發生(sheng)體下遊 1D 處的靜壓(yā)變化得到如圖 6 所(suǒ)示的靜壓變化圖(tu)。

　　對(dui)圖 6 中靜壓數值進(jin)行快速傅立葉變(biàn)換，得到如圖 7 所示(shi)的三💚種介質下的(de)旋渦脫落頻率圖(tu)。
通過讀取圖 7 三種(zhong)介質旋渦脫落頻(pin)率圖最高

點的頻(pín)率，可以得到空氣(qi)介質的旋渦脫落(luò)頻率爲1 595 Hz，蒸💔汽介質(zhi)的旋渦脫落頻率(lü)爲 1 579 Hz，水介質的旋渦(wo)脫落頻率爲1 559 Hz。代入(rù)公式 ( 1)可以發現，渦(wo)街流量計在相同(tong)管道直徑相同入(ru)口速度的情況下(xia)在水介質中得到(dao)的儀表系數最小(xiǎo)、蒸汽次之、空氣最(zui)大。說📞明空氣受氣(qì)體介質的可壓縮(suō)性影💃🏻響大，在發生(sheng)體兩側的密度變(biàn)化率較蒸汽要大(dà)。
4 實驗驗證
　　爲驗證(zhèng)仿真分析得到的(de)結論，利用負壓法(fǎ)音速噴嘴氣體流(liú)⛹🏻‍♀️量計量标準裝置(zhi)、蒸汽實流計量标(biao)準裝💜置和🛀水流量(liang)計量标準裝置對(duì)該結構類型的渦(wo)街流量計進行三(san)種介質的實驗研(yán)究，各♈測試條件參(cān)數如表 1 所示。

在上(shàng)述實驗條件下得(de)到三種标準計量(liang)裝置的儀表系數(shù)，實驗🌈結果如圖 8 所(suǒ)示。

　　由圖(tú) 8 可看出，在實驗過(guo)程中，空氣與水的(de)儀表系數與仿真(zhēn)分析基本相符，但(dàn)蒸汽介質的儀表(biao)系數要小，這主要(yao)是因🧡爲蒸汽介質(zhi)的高溫使發生體(ti)的幾✉️何尺寸發生(shēng)變化導緻❗的儀表(biǎo)系數的改變。
根據(ju)經驗公式 ( 4) :

　　由公式(shi) ( 4) 可以知道随着溫(wēn)度的升高，儀表系(xì)數會減小，因💃此就(jiù)出現了圖 8 所示實(shi)驗數據與圖 7 仿真(zhēn)頻率計算出的儀(yi)表系數的微🌈小差(cha)異。
5 結論
　　利用 Fluent 軟件(jiàn)實現了渦街流量(liàng)計在不同介質下(xià)的流🥰場仿真，根據(ju)卡門渦街的産生(shēng)機理，對比分析了(le)空氣、蒸汽和水三(san)種不🔞同介質條件(jiàn)下的流場，仿真結(jie)果表明随着可壓(ya)縮性的增強，渦街(jie)流量計的儀表系(xì)數随之變大，因此(cǐ)在渦街流量計的(de)首次或者後續檢(jiǎn)定中盡👌量采用與(yu)工⭐況相同的介質(zhi)進行标定。

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