摘要：目(mu)前對于(yú)渦街流(liú)量計 漩(xuan)渦發生(shēng)體的位(wèi)置研究(jiū)僅局限(xiàn)于二維(wéi)的仿真(zhen)研究，但(dan)實際流(liu)體撞擊(ji)漩渦發(fa)生體是(shi)流體三(san)維模型(xing)。鑒于🔴二(er)維仿真(zhen)并不能(néng)完全對(dui)實際流(liu)體撞擊(ji)漩渦發(fa)生體的(de)流場進(jìn)行驗🔆證(zheng)，采用數(shù)值仿💰真(zhēn)軟件平(ping)Ansys+Workbench+FLUENT，根🐇據實(shi)際渦街(jiē)發生體(ti)的機械(xie)尺寸建(jiàn)立相❓應(yīng)的三維(wei)🏃‍♀️仿真模(mo)型。并對(dui)仿真模(mó)型💋進行(hang)網格細(xi)分，再通(tōng)過N—s方🏃🏻‍♂️程(chéng)進行求(qiu)解💜計算(suan)，通過仿(pang)真與在(zài)線實驗(yàn)對比驗(yan)證表明(ming)通過FIUENT軟(ruǎn)件對實(shi)際渦街(jiē)流場進(jìn)行仿真(zhen)的可行(hang)性。最終(zhong)利用FLUENT軟(ruan)件，對不(bú)同流速(su)，通過調(diào)整發生(shēng)體平移(yí)的位置(zhi)最終确(què)定發生(shēng)體位置(zhì)對渦街(jiē)信号的(de)影😘響，從(cóng)而确定(dìng)發生🌍體(tǐ)允許最(zuì)大的平(píng)移位置(zhì)占。
1引言(yán)
　　随着渦(wo)街流量(liang)計在國(guo)内各行(háng)各業的(de)使用量(liàng)逐漸💯增(zeng)大，各高(gao)校、研究(jiu)所和流(liu)量計生(sheng)産廠商(shang)的學者(zhe)和研究(jiu)人員也(ye)對此展(zhǎn)🛀🏻開了各(ge)方面的(de)研究，渦(wo)街流場(chang)的數值(zhí)仿真的(de)研究和(hé)實現也(yě)是其中(zhōng)一個重(zhòng)點]。
　　基于(yú)渦街流(liu)量計的(de)測量原(yuán)理渦街(jie)發生體(ti)的設計(jì)🌈要求就(jiù)尤爲重(zhòng)要，而在(zai)實際設(shè)計生産(chan)當中不(bú)能保🌈證(zhèng)發生體(ti)的中♈心(xin)位置在(zai)管道的(de)中軸線(xian)上，發生(shēng)體與管(guǎn)道中軸(zhóu)線偏離(lí)多👌少會(hui)對最終(zhong)的測量(liang)産生影(ying)響需要(yào)重🔴複更(gèng)換發生(shēng)體，操作(zuò)起來費(fèi)時費力(li)。鑒于以(yi)上原因(yīn)對進行(háng)對渦街(jiē)發生體(tǐ)移動🈲位(wei)置進行(hang)仿真研(yan)究，通過(guò)仿真結(jié)果來指(zhǐ)導❄️物理(li)實驗，并(bing)根據物(wù)理實驗(yan)結果進(jìn)一步完(wan)善傳感(gǎn)器結構(gòu)。
2渦街流(liu)量計原(yuan)理
　　渦街(jie)流量計(ji)利用流(liú)體振動(dòng)原理進(jin)行流量(liàng)測量，在(zai)特定的(de)流動條(tiáo)件下,流(liú)體-部分(fen)動能轉(zhuan)化爲振(zhèn)動,其振(zhen)動頻率(lǜ)與流速(sù)(流🔅量)有(yǒu)确定的(de)比例關(guān)系。1878年斯(sī)特勞哈(ha)爾(Strouhal)發表(biǎo)了📞關于(yu)流體振(zhen)動頻率(lǜ)與流速(sù)關系的(de)文章的(de)。渦街流(liú)量計的(de)基本原(yuan)理是:在(zai)與被測(cè)介質💔流(liu)向垂直(zhí)的🧡方向(xiang)放置--個(gè)🌍非流線(xian)型旋渦(wō)發生體(tǐ)，當流體(ti)流過該(gāi)旋渦發(fā)生體時(shi)，在發生(sheng)體後方(fang)兩🌈側交(jiāo)替地分(fen)離釋放(fàng)出兩列(lie)規則的(de)交錯排(pai)列的旋(xuán)渦，稱⛷️爲(wei)馮.卡爾(er)曼渦街(jiē)們，如圖(tú)1所示。當(dāng)旋渦發(fa)生體右(yòu)(或左)下(xia)方産生(sheng)一個旋(xuán)渦後，在(zai)旋渦發(fā)生體上(shàng)産生一(yi)🚶‍♀️個升力(li)。在旋渦(wo)發生體(tǐ)的後方(fang)安裝應(ying)力式壓(ya)電傳✨感(gan)器，可以(yi)将作用(yong)在旋渦(wō)發🔞生體(ti)上的升(shēng)力轉換(huàn)爲電荷(hé)信号。該(gai)電荷信(xin)号的變(biàn)化頻💔率(lü)與旋渦(wō)的脫離(li)頻率一(yi).緻👄。通過(guò)檢測電(diàn)荷信号(hao)的變化(huà)頻🔞率，就(jiù)可以得(de)到旋渦(wō)的分🌈離(lí)頻率口(kǒu)。

3渦街流(liu)場模型(xing)分析
　　雷(léi)諾時均(jun)方程的(de)方法求(qiu)解出來(lai)的是流(liú)動變量(liang)的📱針對(duì)時間的(de)平均值(zhi).無法給(gěi)出流場(chang)結構的(de)詳細信(xin)息，體現(xian)不出湍(tuān)流流動(dong)的瞬時(shí)性特點(diǎn)。大渦模(mó)拟(LargeEddySimulation,LES)是近(jin)代湍流(liu)研究中(zhōng),用計算(suan)機直接(jiē)求解N-S方(fang)程的一(yi)種🙇‍♀️方法(fa),它從空(kong)間的角(jiao)度對大(dà)渦進行(hang)直接模(mó)拟，對小(xiao)🍉渦進行(háng)模型化(huà)處理，從(cóng)而使得(de)網格要(yao)求比DNS低(di)。其基本(ben)思想是(shi);将流🌍動(dong)的區域(yù)分爲🌈兩(liang)個部分(fèn):一部分(fèn)是可通(tōng)過求👣解(jie)定常三(sān)維N-S方程(chéng)獲得的(de)大尺度(dù)渦旋流(liu)動部分(fèn)，另一部(bu)分是不(bú)需要直(zhi)接計算(suàn)可采用(yong)通用模(mó)型獲得(de)🐅的小尺(chǐ)度部分(fen)。
　　LES的控制(zhi)方程是(shì)對N-S方程(cheng)在波數(shu)空間或(huò)物理空(kong)間進行(háng)過🔴濾得(de)到🌈的。過(guò)濾的過(guo)程是去(qu)掉比過(guo)濾寬度(du)或者給(gěi)定物理(li)寬度小(xiao)🈲的旋渦(wo)，從而得(de)到大旋(xuán)渦的控(kòng)🐪制方程(cheng)。對于均(jun1)勻湍流(liu),常用卷(juàn)積濾波(bō)定義變(biàn)量的大(dà)尺度成(cheng)分:


　　爲了(le)直觀得(dé)到渦街(jiē)信号真(zhēn)實的流(liú)動曲線(xiàn)及流場(chang)分布🈚,本(běn)課題采(cai)用LES湍流(liú)模型來(lai)模拟渦(wo)街流場(chang)。在CFD-Post中.選(xuan)用二階(jie)🈲迎風差(cha)分格式(shì)及SIMPLE算法(fa)”進行仿(pang)真。如圖(tu)2爲流體(ti)流🐆經三(san)角柱發(fa)生體時(shí)的流線(xian)圖，可以(yǐ)從圖中(zhong)🔴清晰地(di)看到旋(xuan)渦的産(chan)生、脫落(luo),以及渦(wō)街流量(liang)計的🏃‍♂️工(gong)作流場(chang)。

4三(sān)維渦街(jie)流場仿(pang)真
　　通過(guo)FLUENT軟件對(dui)實際管(guan)道中的(de)流場進(jìn)行仿真(zhen),其中在(zai)使用FLUENT設(shè)置相關(guan)參數時(shí)是根據(ju)實際管(guan)道中發(fā)生體的(de)尺🧑🏾‍🤝‍🧑🏼寸進(jìn)行配♌置(zhi),圖🏃‍♀️3爲實(shí)際管道(dào)中發生(sheng)體在管(guǎn)道♍中平(ping)移後的(de)三視圖(tu)。

　　發生體(ti)中心線(xiàn)平行于(yu)基準軸(zhóu)線。這種(zhǒng)情況下(xia)，會産生(sheng)位置偏(piān)差☂️，平移(yí)距離記(ji)作δ。如圖(tu)4所示。

　　在(zai)Geometry中建立(lì)發生體(ti)中心線(xian)平行于(yú)基準軸(zhóu)線的三(san)維幾何(he)模型。如(ru)🏃‍♀️圖5所示(shi)。


　　可以從(cong)圖7中看(kan)出即使(shǐ)發生體(ti)位置與(yǔ)理想位(wei)置存👉在(zai)🐅偏差，仍(reng)然會出(chū)現旋渦(wo)脫落現(xiàn)象。并且(qiě)當發生(shēng)體上側(cè)的旋🔴渦(wō)從産生(sheng)到脫⭐落(luo)時.發生(sheng)體下側(ce)在爲旋(xuán)渦的産(chǎn)生做準(zhun)備，而不(bú)會産生(sheng)旋渦。同(tong)時當上(shang)側旋📞渦(wo)離開發(fā)生體一(yi)段距離(li)以後，下(xià)側才開(kāi)始出現(xiàn)旋✏️渦。
　　發(fa)生體在(zai)理想位(wèi)置時産(chǎn)生的旋(xuán)渦是交(jiao)替排列(lie)的，而發(fa)生體💃在(zai)中心線(xian)發生平(píng)移的情(qing)況下，會(huì)根據δ的(de)不同使(shi)得☁️旋渦(wo)脫落後(hòu)朝中心(xīn)線相對(dui)基準軸(zhou)線平移(yí)的方向(xiang)碰撞🏃‍♂️到(dao)管壁。針(zhen)對此現(xiàn)象對低(dī)速(4m/s)、中速(sù)(40m/s)和高速(su)(70m/s)流速下(xià)進行仿(pang)💞真研究(jiū)，并将數(shù)據記🔞錄(lù)到表1中(zhong)🐕。

　　爲了更(geng)爲直觀(guān)地反映(ying)出圖8中(zhōng)不同流(liu)速下的(de)旋渦🆚信(xin)号強度(du)随平移(yí)位置的(de)變化規(gui)律,現将(jiang)表1中的(de)旋渦信(xin)号強度(du)用表2的(de)偏移程(cheng)度來表(biao)示。

　　将表(biao)2中的數(shu)據繪制(zhì)成圖8。從(cong)圖中可(kě)以看出(chu)信号強(qiang)度随🔱着(zhe)偏移‼️距(jù)離，流速(su)的不同(tong)而不同(tóng)。并且得(de)出以下(xià)結論:無(wú)論是低(di)速(4m/s).中速(sù)💋(40m/s)、還是高(gāo)速(70m/s)流速(su)下,随着(zhe)平📱移距(jù)離的增(zēng)加，信号(hào)強度減(jian)弱🚶,偏移(yí)程度增(zeng)加。平移(yí)距離越(yuè)小♻️，偏移(yi)程度越(yuè)小,随着(zhe)平移距(jù)離的增(zeng)加，平移(yí)距離與(yu)偏移程(cheng)度近似(sì)于平方(fāng)關系。
　　通(tōng)過觀察(cha)低速(4m/s)、中(zhong)速(40m/s)和高(gāo)速(70m/s)流速(su)下渦街(jiē)流場中(zhōng)旋渦的(de)産生-脫(tuo)落圖，可(ke)以發現(xian)，當平移(yi)距離較(jiao)小時，會(huì)在發生(sheng)體🏃‍♂️尾部(bù)⛷️生成兩(liǎng)列規則(zé)排列的(de)旋渦。繼(ji)續增加(jia)偏移距(jù)離，會出(chū)現旋‼️渦(wō)發生🔞體(tǐ)尾部🔴産(chan)生交替(ti)排列的(de)旋渦向(xiang)發生體(tǐ)尾部産(chan)生的旋(xuán)渦碰撞(zhuàng)到管壁(bì)的過渡(du)點。流🤩速(su)爲4m/s時，過(guò)渡點在(zài)0.3d處;流速(sù)爲40m/s和70m/s時(shí)，過渡點(diǎn)在0.4d處。也(ye)就是說(shuō)，當流速(su)爲4m/s,平移(yi)距離爲(wèi)0.3d、0.4d和0.5d時💰，發(fa)生體産(chan)生的旋(xuan)渦會碰(peng)撞到管(guǎn)壁;當流(liú)速爲40m/s或(huo)70m/s,偏移距(jù)離爲0.4d和(he)0.5d時，發生(sheng)體産生(shēng)的旋渦(wo)會碰撞(zhuàng)到管壁(bi)。
5仿真與(yǔ)實際流(liú)速對比(bi)
　　實驗室(shì)使用50mm口(kou)徑液體(tǐ)流場進(jìn)行實驗(yàn)其中實(shí)驗裝置(zhi)如♈圖9所(suo)示,由于(yú)限制本(ben)實驗主(zhu)要針對(dui)低流速(su)下進行(hang)實驗仿(páng)真✏️對比(bǐ)。

　　渦街流(liú)量計安(ān)裝在閥(fa)門的下(xia)遊,由于(yú)閥門上(shàng)遊連接(jie)的，水箱(xiāng)在水泵(bèng)不斷送(song)水的狀(zhuàng)态下一(yi)-直呈溢(yi)出狀态(tai)🈲，因此可(kě)認爲上(shang)遊水箱(xiang)的液位(wei)是穩定(ding)的。實驗(yan)中通過(guò)調節閥(fa)門的開(kai)度達到(dao)控制回(hui)路中流(liú)量大小(xiǎo)，同時與(yu)仿真中(zhōng)的流速(sù)進行對(duì)比，其中(zhong)📞δ爲發生(shēng)體🍓平移(yí)距離。

6結(jié)論
　　流場(chang)仿真在(zài)渦街流(liu)量計傳(chuan)感器設(shè)計以及(jí)優化傳(chuán)🌈感器設(she)計變得(dé)越來越(yue)重要,它(tā)通過理(lǐ)論支持(chi)指導仿(páng)真🛀的可(kě)實施性(xìng)，并将仿(pang)真結論(lun)用于實(shí)驗中,大(da)大縮短(duan)了設計(ji)周期。
　　通(tong)過模拟(ni)三維渦(wō)街流場(chǎng)以及渦(wō)街流量(liàng)計的漩(xuán)渦發生(sheng)體,通過(guò)改變發(fa)生體與(yǔ)管道基(jī)準軸的(de)距離從(cong)而得到(dao)不同的(de)漩渦信(xin)号,通過(guò)仿真與(yu)實際管(guǎn)道流體(ti)的實驗(yàn)對比可(ke)以看出(chū),在發生(shēng)體中心(xin)線相對(duì)于基準(zhun)軸線發(fā)生平移(yi)的情況(kuàng)下，渦街(jiē)流場的(de)旋渦信(xin)💘号強度(du)是流體(tǐ)流速和(he)平🚩移距(ju)離的共(gong)💚同作用(yòng)結果,同(tóng)時在發(fa)生體偏(pian)離中心(xīn)軸在0.05d以(yǐ)内則不(bu)影響🤩渦(wō)街流量(liàng)計的最(zui)終測量(liàng)精度✨,這(zhè)爲實際(ji)設計發(fā)生體做(zuò)出理論(lun)指導。

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