摘要:爲(wei)了研究(jiu)渦街流(liu)量計 内(nèi)部流場(chǎng)結構,通(tōng)過GAMBI軟件(jian)的非結(jie)構化網(wǎng)格技術(shu)和FLUENT軟件(jian)的RNGke模✏️型(xing)對渦街(jie)流量計(ji)的流場(chǎng)進行了(le)三維數(shù)㊙️值模拟(nǐ),描繪了(le)‼️渦街産(chǎn)生和脫(tuō)落過程(cheng),着重分(fen)析了壁(bì)面壓力(li)分布随(sui)渦街㊙️脫(tuō)落的演(yan)變情況(kuang)。結果表(biǎo)明:渦街(jie)流場中(zhong)靠近旋(xuan)渦發生(sheng)體的壁(bi)面靜壓(ya)有較明(ming)顯的波(bo)動,在距(jù)離旋渦(wo)發生體(tǐ)一定範(fan)圍内,越(yuè)靠近旋(xuan)渦發生(shēng)體,靜壓(yā)幅度越(yuè)大;而在(zai)對稱于(yú)管道👉軸(zhou)線🤞的位(wèi)置,壁面(miàn)靜壓幅(fú)度相等(děng),相位相(xiàng)🏃反。該研(yan)究爲優(you)化渦街(jiē)流量計(jì)的結❗構(gou)設計和(he)測量性(xìng)能💯提供(gòng)了有益(yi)的參考(kao)。
0引言
　　渦(wō)街流量(liàng)計是近(jìn)年發展(zhǎn)勢頭良(liang)好.優點(diǎn)突出的(de)一類新(xin)型流量(liàng)測量裝(zhuāng)置。它利(lì)用在特(te)定的流(liu)動條件(jiàn)下流🔞體(ti)部分動(dòng)🎯能産生(shēng)流體振(zhen)動,且振(zhèn)動頻率(lü)與流量(liàng)成正比(bi)這一❗特(tè)征關👄系(xì)來進行(háng)工作。隻(zhi)要采用(yong)合适的(de)檢測方(fang)法從與(yu)渦街脫(tuo)落相伴(bàn)的周📱期(qi)振動的(de)流速、壓(yā)力中提(ti)取出頻(pín)率,那麽(me),就可以(yi)得到管(guan)道内🤞被(bèi)測流體(ti)的💰流量(liàng)值川。渦(wō)街流🏃‍♀️量(liang)計的性(xing)能在很(hen)大程度(du)上受💋到(dao)渦街流(liu)場結構(gòu)及其内(nei)‼️部參數(shù)的時空(kōng)分布的(de)影響。因(yin)此,研♊究(jiu)渦街流(liú)量計内(nèi)部流動(dòng)特性對(duì)優化其(qí)測量性(xing)能具有(you)十分重(zhong)要的意(yi)義。
　　由于(yú)旋渦發(fa)生體的(de)阻流作(zuò)用,渦街(jie)在管道(dao)内的流(liu)動是強(qiáng)烈的非(fei)線性時(shí)變湍流(liú),難以解(jie)析地求(qiu)得流場(chang)分布情(qing)況,所以(yǐ),至今人(rén)們對旋(xuan)渦發生(sheng)體後旋(xuán)渦形成(chéng)和✏️脫落(luo)過程的(de)認識幾(ji)乎全部(bu)依🔱賴于(yu)經驗和(he)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻實驗。随(suí)着計算(suan)機技術(shù)的飛速(su)🈲發展,建(jian)立在經(jing)典流體(ti)力學與(yǔ)數值方(fang)法基礎(chǔ)上的計(ji)算流體(tǐ)動力學(xue)爲人們(men)研究複(fu)雜流動(dong)問題提(tí)供☔了一(yi)種有效(xiao)的解決(jué)方法,通(tōng)過計算(suàn)機🚶數值(zhi)計算方(fāng)法和圖(tú)像顯示(shi)技術,可(kě)以得到(dào)在時間(jian)和🈲空間(jian).上定量(liàng)描述流(liu)場的數(shu)值解。
　　目(mu)前,人們(men)對渦街(jie)流場的(de)數值模(mo)拟逐漸(jiàn)從二維(wéi)過渡到(dao)和💰渦方(fāng)法等。國(guó)内外研(yan)究人員(yuán)采用了(le)各種數(shù)值算法(fa)對不同(tóng)形狀👌旋(xuán)渦發生(sheng)體在不(bú)同雷諾(nuo)數下進(jin)行了模(mó)拟計算(suàn)。總體.上(shang)說來,在(zài)雷諾數(shù)較小時(shi),數值模(mo)拟的♈結(jié)果與實(shi)際情況(kuang)符合較(jiào)好,但是(shi),在雷諾(nuo)數較大(da)時,各種(zhong)因素對(duì)渦♉街的(de)影響十(shi)分複雜(zá),數值✨模(mó)拟的結(jie)果還不(bu)盡如人(ren)意,許多(duo)問題還(hái)待于進(jin)一步深(shēn)入研究(jiū)。
　　本文利(li)用先進(jin)的計算(suàn)流體力(lì)學軟件(jian)FUENT及其前(qián)處理軟(ruǎn)件GAMBII對渦(wō)街流量(liang)計内壁(bi)面壓力(li)分布進(jin)行了數(shu)值模拟(ni),目的在(zài)于獲得(dé)關于渦(wō)街流量(liàng)計内部(bu)流場的(de)定性或(huo)半定量(liàng)的認識(shí),爲優化(hua)渦街流(liú)量計的(de)結構設(shè)計和測(ce)量性能(néng)提供有(yǒu)益的🔞參(cān)考。
1計算(suan)域和網(wǎng)格
　　在模(mó)拟過程(cheng)中,渦街(jie)流量計(jì)的計算(suàn)域簡化(hua)爲具有(yǒu)圓形進(jìn)😄出口邊(bian)界的軸(zhou)對稱三(sān)維幾何(he)模型,坐(zuo)标原點(dian)設在旋(xuan)渦發生(shēng)體迎流(liú)💁面的中(zhōng)心,如圖(tú)1所示。管(guan)道内徑(jing)爲50mm,旋渦(wo)發生體(ti)爲梯形(xíng)柱體,迎(ying)流面寬(kuan)度爲14mm.圖(tú)1給出了(le):=0截面(=軸(zhou)方向垂(chui)直紙面(miàn)🔞向外)管(guan)道和旋(xuan)渦發生(sheng)體的二(er)維計算(suan)域及其(qí)網格的(de)示意圖(tú)。爲了真(zhēn)實地模(mó)拟實際(jì)流動狀(zhuang)況，利用(yong)GAMBI軟💚件生(sheng)成了非(fēi)結🈲構化(huà)📱的三角(jiǎo)網格。由(you)于旋渦(wo)發生體(tǐ)附近流(liu)場變化(hua)劇烈,因(yin)此,對其(qi)周圍的(de)網🔞格進(jìn)行了局(jú)部加密(mi)處理。不(bú)同流速(sù)的流動(dong)情況通(tong)過改變(bian)入口速(sù)度來模(mó)拟♍。各求(qiu)解變量(liàng)收斂殘(cán)差📐值設(shè)置爲1x105。入(ru)口邊界(jiè)設置爲(wèi)沿管道(dao)軸向均(jun1)勻速度(du)入口,其(qi)他方向(xiang)速度均(jun)爲0。出口(kou)邊界設(she)置爲壓(yā)力出口(kou),壓力出(chu)口處的(de)表壓爲(wèi)0。管道和(he)旋渦發(fā)生體均(jun)設置爲(wèi)固體,并(bìng)且,壁面(mian)♋處無滑(hua)移。
 
2控(kong)制方程(cheng)和計算(suan)參數
　　與(yǔ)其他流(liú)動過程(chéng)相同,渦(wo)街流動(dong)的數學(xué)模型也(yě)是建🌈立(li)在質量(liàng)💋守恒定(ding)律.上的(de)連續方(fang)程、動量(liàng)守恒定(dìng)律上的(de)運動方(fang)程和👄熱(re)力學第(dì)一定律(lǜ).上的本(ben)構方程(cheng)基礎㊙️上(shang)的。綜合(he)考慮仿(pang)真精度(dù)和計算(suan)成本,采(cǎi)用RNGke兩方(fang)程模型(xíng)。
　　雷諾平(ping)均NavierSlokes方程(chéng)組爲
 
　　式(shi)中μ爲流(liu)體動力(lì)粘度;μt爲(wei)流體湍(tuān)動粘度(dù);δtf爲Koneck符号(hào);k爲湍流(liú)脈動動(dong)能。
 
　　式中(zhong)Gk爲湍流(liú)動能生(shēng)成項;Gb爲(wèi)湍流動(dong)能擴散(sàn)項;ε爲流(liu)體脈動(dong)動能的(de)耗散率(lǜ);YAT爲湍流(liu)動能耗(hào)散項;αk,αs。分(fen)别爲kε的(de)逆有效(xiao)♻️普朗特(te)數⛱️;Sk,S爲自(zì)定義源(yuán)項。
有效(xiao)粘度公(gong)式爲
 
3結(jié)果分析(xī)
　　圖2給出(chū)了介質(zhi)爲水、入(rù)口速度(du)爲15m.s1時的(de)渦街流(liú)場中💯靜(jìng)壓和🏃🏻動(dòng)壓的分(fen)布情況(kuàng)。其他介(jiè)質和入(rù)口速度(du)時的計(ji)算結果(guo)相似。可(kě)以看🔞出(chu):旋渦從(cóng)渦街發(fā)生體兩(liǎng)側交替(ti)脫離形(xíng)成渦街(jie),分離點(dian)在梯形(xing)柱的銳(ruì)邊上。流(liú)體流過(guò)🐅旋渦發(fā)生♋體後(hòu),旋渦💘在(zài)向下遊(yóu)運動的(de)同🔴時,旋(xuan)渦強度(dù)也逐漸(jian)由強✂️變(biàn)弱。相應(ying)的🙇‍♀️,靜壓(yā)和動壓(ya)😄也都是(shi)在旋渦(wō)發生體(tǐ)附近較(jiao)強,在向(xiang)下遊運(yun)動的☎️過(guo)程中強(qiáng)度也逐(zhu)漸減弱(ruò)。顯然,旋(xuan)渦的周(zhōu)期性變(biàn)化使流(liu)場内各(ge)種參數(shù)都随之(zhī)發生交(jiāo)替的波(bō)動,因此(cǐ)，通過檢(jiǎn)測渦街(jiē)尾流中(zhōng)周期變(biàn)化的某(mou)一參數(shù)可以獲(huo)取渦街(jie)流動特(te)征。由于(yú)動壓的(de)檢測比(bi)較困難(nán),需🚶‍♀️要将(jiang)測量件(jiàn)伸入管(guan)道内,因(yīn)此,不适(shi)宜作爲(wèi)反映渦(wō)🤞街特性(xing)的被測(ce)特征參(cān)數。而管(guan)壁處靜(jing)壓的測(ce)量相對(dui)來說要(yào)⭐簡單容(rong)易得多(duo),取壓裝(zhuāng)置垂直(zhi)于流動(dòng)方向且(qie)位于管(guǎn)壁上,同(tóng)時其值(zhí)隻需采(cai)用普通(tōng)的動态(tai)🙇🏻壓力傳(chuán)感器即(jí)可測得(dé)。
 
　　爲了定(ding)量比較(jiao)渦街流(liu)場空間(jian)中不同(tong)位置處(chù)靜壓的(de)大小,圖(tu)3給出了(le)靜壓在(zai)計算域(yù)中平行(hang)流向的(de):=0,y=245mm和垂直(zhi)流向✨的(de):=0,x=25mm兩條直(zhí)🛀🏻線上的(de)計算結(jié)果。可以(yǐ)看到,渦(wo)街流場(chǎng)中靠近(jin)旋渦發(fā)生體管(guǎn)壁處的(de)靜壓有(yǒu)較明顯(xiǎn)的波動(dong),，沿流動(dong)方向靜(jìng)壓在0~50mm區(qu)間内波(bo)動明顯(xian)、幅度最(zuì)大,即在(zài)距離旋(xuan)渦發生(sheng)體一定(ding)範圍内(nèi),越靠近(jin)🤩旋渦發(fa)生體,靜(jìng)壓幅度(du)越大;而(ér)在垂直(zhi)流動方(fang)向上管(guan)道内壁(bi)處的靜(jìng)壓也具(jù)有較大(da)的幅度(dù)。圖4給出(chū)了計算(suàn)域中:=0平(ping)面上一(yi)對軸對(dui)稱管壁(bi)處監測(ce)點P1(10,245,0)和Pi(10,24.5,0)靜(jing)壓的計(jì)算值。從(cong)圖中可(kě)以看出(chū)💛:管壁處(chu)軸對稱(cheng)的2點靜(jìng)壓波動(dong)的幅度(dù)❄️和頻率(lǜ)相等而(er)相位相(xiang)反,因此(ci)，若在靠(kào)近旋渦(wō)發生體(tǐ)的軸🈲對(duì)稱管壁(bi)上設置(zhì)兩個取(qǔ)❤️壓點測(ce)量差壓(yā),則可構(gou)成差動(dòng)結⛹🏻‍♀️構,獲(huò)得的信(xin)号更強(qiáng)便于檢(jiǎn)♊測,通過(guo)測得的(de)靜壓差(chà)可以檢(jiǎn)測管内(nèi)渦街流(liú)動特性(xing)。
 
4結束語(yǔ)
1)流體流(liu)過旋渦(wo)發生體(ti)後,旋渦(wo)在向下(xià)遊運動(dòng)的同時(shí)，旋渦🆚強(qiang)度逐漸(jiàn)由強變(biàn)弱,旋渦(wo)的周期(qi)性變化(huà)使流場(chǎng)内靜壓(ya)和動壓(ya)等各種(zhong)參數都(dōu)随之發(fa)生交替(ti)的波動(dòng);
2)渦街流(liu)量計中(zhōng)靠近旋(xuán)渦發生(sheng)體的壁(bì)面靜壓(ya)有較明(míng)顯的波(bō)動,在距(ju)離旋渦(wō)發生體(tǐ).定範圍(wéi)内,越靠(kào)近旋渦(wō)發生㊙️體(tǐ),壁面靜(jìng)壓幅度(dù)越大,而(er)在對稱(chēng)于管道(dào)軸線的(de)🏃🏻位置,壁(bì)面靜壓(ya)幅度相(xiang)等而相(xiang)位相反(fan)。.
　　總之,渦(wo)街流量(liang)計内壁(bi)面壓力(li)可以較(jiao)好地表(biǎo)征渦街(jiē)脫落📞的(de)過程,通(tong)過采用(yong)合适的(de)檢測和(he)信号處(chu)理方法(fǎ)可以使(shǐ)人.們從(cóng)多個角(jiǎo)度來提(tí)取渦街(jiē)特性。并(bing)❌且,關于(yú)渦街流(liu)量計内(nei)部流場(chǎng)♊的定性(xìng)或半定(ding)量的♋認(ren)識将有(yǒu)助于優(you)化渦街(jie)流量計(ji)的結構(gòu)設計及(jí)其測量(liang)性能。

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