摘要(yào):通過FLUENT對典(dian)型的渦街(jie)流量計 在(zai)低溫流體(tǐ)中的卡門(men)渦街流場(chǎng)特性進行(háng)理論分析(xī)和🚶數值仿(pang)真,并與常(chang)溫工況下(xià)的渦街流(liú)場進行比(bi)較,分析低(di)溫流體的(de)旋渦分離(lí)過程,得出(chu)流量與💁渦(wo)街分離頻(pín)率的對應(ying)關系。研究(jiu)表明,數值(zhi)仿真方法(fa)成本低,适(shì)于模拟複(fú)雜流場,爲(wei)低溫渦街(jie)流量計🥵在(zai)渦街發生(sheng)體形狀和(hé)壓電振動(dong)傳感器采(cai)樣位置的(de)設計與優(you)化提供理(li)論依據☔。.
1引(yǐn)言
　　渦街流(liú)量計具有(you)儀表系數(shù)穩定、瞬時(shi)流量測量(liang)正确、量程(cheng)範圍寬、壓(yā)力損失小(xiǎo)、結構和檢(jian)測方式組(zǔ)合多樣、便(biàn)于安裝維(wei)護等諸多(duo)特點，在流(liú)量測量領(lǐng)域🌂占有重(zhong)要地位。常(cháng)溫下❗的渦(wō)街流量計(jì)技術已經(jīng)相👈當成熟(shu)，至今已發(fa)展爲多種(zhǒng)旋渦發生(shēng)體形式及(ji)不同檢測(cè)方法，系列(liè)化的産品(pin)應用于各(ge)♍種工業領(ling)域💃。但用于(yu)低溫(特别(bie)是超低溫(wen),如液氫、液(yè)氧、液氮)流(liu)體💘測量的(de)渦街流量(liang)計才剛剛(gang)起步，國⁉️外(wai)已在近期(qī)開展了研(yan)究,在國外(wài)航天領域(yù)的低溫流(liú)體流量測(ce)量中使用(yòng)效🌈果良好(hao)，并逐步有(yǒu)産品推向(xiàng)市場。目前(qián),中👌國國内(nei)少有低溫(wēn)渦街流量(liàng)計的産品(pǐn)和文獻系(xi)統報導。
　　在(zài)超低溫下(xià)，信号感測(ce)器靈敏度(dù)下降,因此(ci)必須産✊生(sheng)更加強🍓烈(liè)穩定的旋(xuan)渦,才能提(tí)高信噪比(bi),滿足精度(du)要求。此☂️外(wài)，液😘氫、液氧(yang)和液氮等(deng)低溫流體(ti)的物性極(jí)爲特⭐殊,其(qi)黏🛀🏻度極低(di),極易産生(sheng)空穴。衆所(suǒ)周知,旋渦(wo)發生體形(xíng)狀和檢測(ce)位置對渦(wo)街流量計(ji)的測量☁️質(zhì)量影響很(hen)大，,但是受(shou)檢測條件(jian)和手段的(de)限制，難✍️以(yǐ)對其影響(xiang)進行有效(xiào)評價。利用(yong)計算流體(ti)力🔅學(CFD)數值(zhi)仿真的方(fang)法模拟不(bu)同旋渦發(fa)生體渦街(jiē)流量傳感(gan)器内部流(liu)場,進而😍确(que)定旋渦發(fā)生體形狀(zhuang)以及檢☔測(ce)點位置💃🏻,對(duì)渦街流量(liàng)傳感器🌈的(de)優化具有(you)重要的👣指(zhǐ)導意義。本(ben)文根據低(di)溫流體(以(yǐ)液氮爲例(li))的物性參(cān)數和流體(ti)力學理論(lun),對❗低溫渦(wo)街的流場(chǎng)進行理論(lùn)計算和數(shù)值仿真,分(fèn)析㊙️低溫流(liu)🈲體渦街的(de)産生過✍️程(cheng),對比低溫(wēn)渦街和常(cháng)溫渦街流(liu)場分布的(de)異同,爲低(dī)溫渦街流(liu)量🐆計的設(shè)計和優化(huà)提供理論(lùn)依據。
2低溫(wen)渦街特性(xìng)理論分析(xi)
2.1渦街流量(liàng)計的工作(zuò)原理
　　在流(liú)體中設置(zhì)旋渦發生(shēng)體,就會從(cong)旋渦發生(sheng)體兩.側交(jiāo)🥰替地産㊙️生(shēng)有規則的(de)旋渦,這種(zhong)在旋渦發(fa)生體下遊(yóu)非對稱排(pái)列的旋渦(wō)列即卡門(men)渦街。根據(ju)卡門渦街(jiē)原理,旋渦(wo)🍉頻率ƒ有如(rú)下關系式(shi):
 
　　式中:ƒ爲旋(xuán)渦頻率,Hz;Sr爲(wei)斯特勞哈(hā)爾數,無量(liang)綱,與旋渦(wo)發生體形(xing)狀及雷諾(nuo)數Re有關,在(zai)Re=2×104-7x106範圍内可(ke)視爲常數(shù)，例如三角(jiǎo)柱發生體(tǐ)🔞的斯特勞(lao)哈爾數爲(wèi)Sr=0.16;V爲測量管(guǎn)内被測介(jie)質的平均(jun)流速，m/s;m爲發(fā)生體兩側(ce)弓形流通(tong)面積之和(he)與測量管(guǎn)的橫街面(miàn)積之比,計(ji)算如下:
 
　　式(shi)中:D爲渦街(jie)流量計管(guan)道口徑,m;d爲(wèi)旋渦發生(sheng)體迎流面(mian)寬度,m,對于(yu)三角柱發(fa)生體而言(yan),d=0.28D。
　　渦街流量(liàng)計的儀表(biǎo)系數K:
 
　　式中(zhong):K爲渦街流(liú)量計儀表(biao)系數,m-3;qv爲管(guan)道内被測(cè)介質的體(tǐ)積流👄量,m³/s。
　　可(kě)見儀表系(xi)數K與旋渦(wō)發生體、管(guan)道的幾何(hé)尺寸及斯(si)特勞👌哈爾(er)數Sr有關。但(dan)在Sr可視爲(wei)常數的雷(lei)諾數範圍(wéi)内,K就隻與(yǔ)旋渦發生(sheng)體形狀和(hé)管道幾何(he)尺寸有關(guan),因此渦街(jie)流量計輸(shū)出的脈沖(chong)頻率信号(hào)不受流體(tǐ)物性和組(zǔ)分變化的(de)影響，隻要(yào)正确測得(de)旋渦頻⛱️率(lü)ƒ,就可正确(què)😘得知被測(ce)流體的流(liú)速U和體積(ji)流量qv,給.信(xin)号的測量(liàng)提供了依(yi)據。
2.2低溫渦(wo)街流量與(yǔ)頻率特性(xing)
　　圓管傳輸(shu)流體的雷(lei)諾數Re爲:
 
　　式(shi)中:ν爲流體(tǐ)運動黏度(dù),m/s。
　　渦街流量(liang)計測量液(yè)體的最低(dī)流速一般(ban)≥0.3m/s,最大流速(sù)應≤7m/s。以口㊙️徑(jìng)100mm的渦街流(liu)量計爲例(li)，在測量液(yè)氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其雷(lei)諾數Re的上(shang)❓下限爲:1.53x105≤Re≤3.58x106，滿(mǎn)足斯特勞(lao)哈爾數Sr可(kě)視爲常數(shù)的雷諾數(shù)範圍。因此(ci),渦街流量(liang)🌈計的特性(xìng)在原理上(shàng)也可以适(shì)用于液氮(dàn)的低溫工(gong)況流量測(ce)🌈量。
　　依據式(shi)(3)可以計算(suàn)出口徑100mm的(de)渦街流量(liàng)計的儀表(biǎo)系數K=1123m-3.
3低溫(wēn)渦街的流(liú)場仿真模(mó)型建立.
3.1FLUENT在(zài)渦街仿真(zhēn)中的應用(yòng)
　　計算機高(gāo)性能運算(suan)的不斷提(tí)高使計算(suàn)流體力學(xué)(CFD)技術更❤️加(jia)實用,越來(lái)越完善的(de)流體計算(suan)模型開始(shi)被商業化(huà)👈的CFD軟件所(suǒ)采用，如FLUENT集(jí)成了衆多(duo)湍流模型(xíng)🤞、LES模型JDES模型(xíng)、化學反應(ying)模型、多相(xiang)🔅流模型等(děng)研究成果(guo)。近年，在渦(wo)街流量計(ji)設計和優(yōu)化中,越來(lái)越多的采(cai)🙇‍♀️用了FLUENT等CFD軟(ruǎn)件進行數(shù)值仿⛱️真,大(dà)大節省了(le)開發成本(běn)和周期,并(bìng)且對其内(nei)部流場有(yǒu)了更加深(shen)刻和直觀(guan)㊙️的理解。
　　通(tong)過兩維渦(wo)街流場的(de)仿真,研究(jiū)了雷諾數(shu)和剪切率(lǜ)☁️對🛀渦結🥵構(gou)的影響。通(tong)過FLUENT對渦街(jie)流量計流(liú)場進行了(le)數🔆值仿真(zhēn),據此優化(hua)設🤟計渦街(jie)流量計結(jie)構，選取取(qu)壓位置。研(yan)究旋渦發(fa)生體前後(hou)壓差與流(liu)速之間的(de)關系，提出(chu)了利用單(dān)一差壓傳(chuán)感器測量(liàng)質量流量(liàng)的新方法(fǎ)。通過FLUENT對梯(ti)形發生體(tǐ)與T形發生(shēng)體的渦街(jiē)流場進行(hang)🤩模拟對比(bi)研究,并得(de)到了檢測(cè)點💋位置。以(yi)上研究☔者(zhě)的工作表(biǎo)明,利用FLUENT仿(pang)真能夠較(jiao)真實的反(fǎn)映渦街流(liu)量計的🌐内(nei)部流場特(tè)性,在渦街(jie)流量計📞的(de)開發過程(chéng)中扮演越(yuè)來越重要(yao)的角色。
3.2建(jiàn)模與網格(ge)劃分
　　渦街(jie)流量計的(de)二維仿真(zhen)結構模型(xing)如圖1所示(shi),管道口徑(jìng)爲D=100mm,三🈲角柱(zhu)旋渦發生(sheng)體迎流面(miàn)寬度d=28mm,頂角(jiao)θ=19°,符合該管(guan)道口徑下(xià)的行業标(biao)準。渦街流(liu)量計的網(wǎng)格劃分采(cǎi)用四邊形(xíng)結構化網(wang)格,根據區(qu)域的不規(gui)則程度和(hé)流場的複(fú)雜程度對(dui)不同子區(qū)域進☂️行分(fèn)别劃💔分。
 
3.3求(qiú)解條件設(shè)置
　　爲了能(néng)夠計算得(dé)到流場的(de)正确解,必(bi)須給定合(hé)理👌的🤩邊界(jiè)條件和流(liu)體物性,并(bing)選擇合适(shi)的求解器(qì)和計算模(mó)型。渦街🚶‍♀️流(liu)場爲非定(ding)常流動，雷(lei)諾數較高(gao),對渦街流(liu)場仿真的(de)求解條件(jian)如表1設置(zhi)。
 
4仿真結果(guǒ)分析
4.1低溫(wēn)渦街的形(xíng)成過程
　　圖(tú)2表示了一(yi)個旋渦形(xing)成周期T内(nei)不同時刻(kè)的渦街🚶二(èr)✍️維流場📧圖(tú),直觀反映(yìng)了渦街的(de)形成、脫落(luò)過程。可以(yǐ)看到邊界(jie)層在渦街(jie)發生體的(de)兩側平行(háng)棱邊開始(shǐ)減速增壓(ya)運動,并伴(bàn)有倒流現(xian)象。倒流沿(yán)着壁面向(xiang)後伸展使(shi)邊界層明(ming)顯增厚,同(tóng)時旋渦的(de)尺寸不❄️斷(duàn)增大。當旋(xuan)渦增加到(dao)一定程度(dù)後,就從發(fa)生體上🌂脫(tuō)落分離，随(suí)着流體向(xiang)下遊運動(dong),形成振蕩(dang)尾流。在旋(xuán)渦的中心(xin)形成低壓(yā)區,會随着(zhe)旋渦的交(jiāo)替産生和(hé)🤩脫落過程(cheng),在流場🧡中(zhōng)形成周期(qī)性變化的(de)壓力場,壓(ya)力場的🈲變(bian)化頻率與(yu)旋渦脫落(luò)頻率--緻。壓(ya)電式渦街(jie)流量計即(ji)是通過檢(jiǎn)測👈流場内(nei)振蕩尾流(liu)中特定點(dian)處的壓力(lì)變化頻率(lǜ)來測定流(liu)速。
 
4.2低溫渦(wo)街仿真結(jié)果正确率(lü)驗證
　　由于(yu)低溫渦街(jie)試驗條件(jiàn)受限,低溫(wen)渦街仿真(zhen)結果和理(lǐ)論🈚計🔱算值(zhí)與相同結(jié)構尺寸的(de)常溫渦街(jie)流量計在(zài)水介質中(zhong)的校📱驗數(shù)據進行比(bi)對。如圖3所(suǒ)示,試🐕驗與(yu)仿真曲線(xian)的線性✂️度(du)都很好，而(er)且低溫介(jie)質與常溫(wen)介質的數(shù)據比較一(yī)緻,驗證了(le)斯特勞哈(ha)爾數St與儀(yi)表系數K不(bu)随介質與(yǔ)溫度影響(xiǎng)的特性。分(fen)析結✍️果可(ke)知:渦街流(liu)🏃🏻量計儀表(biao)系數的試(shì)驗值與理(lǐ)🔞論計☂️算值(zhi)之間🌈的相(xiàng)對📱誤差在(zài)3%之内;仿真(zhen)💁值與試驗(yan)值之間的(de)相對誤差(cha)在5%之💰内,說(shuō)明所采取(qǔ)的👄仿真方(fang)法比較正(zheng)确,驗證了(le)FLUENT數值仿✔️真(zhēn)技術用于(yu)低溫渦街(jie)流量計流(liu)場仿真的(de)可行性。
 
4.3低(dī)溫渦街與(yu)常溫渦街(jie)的流場分(fen)布對比
　　圖(tú)4比較了低(dī)溫渦街與(yǔ)常溫渦街(jiē)的流場分(fèn)布,由于液(ye)㊙️氮的⁉️粘度(du)比水低很(hěn)多,流體内(nei)部的分子(zi)間引力和(hé)碰撞較弱(ruo)，流體間的(de)相對運動(dòng)阻力較大(dà)，造成低📞溫(wēn)渦街♻️的流(liu)場中速度(du)🌈梯度較大(da),表現🧑🏽‍🤝‍🧑🏻爲旋(xuán)渦尺寸比(bi)常溫工況(kuang)下的旋渦(wo)小。因此🔞，相(xiàng)比常溫下(xià)壓電傳🐪感(gǎn)器的安置(zhì)位置而言(yan)，檢測振蕩(dàng)尾流中旋(xuan)渦列的低(di)溫渦街的(de)傳感器就(jiù)要更靠⛱️近(jin)渦街發生(sheng)體,這在‼️設(she)計低溫渦(wō)街流😍量計(ji)時必須特(te)殊考慮。
　　能(néng)量的相對(dui)集中導緻(zhi)了壓力梯(tī)度(主要爲(wei)動壓)也比(bi)較大🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。但必(bi)須注意到(dào)，在旋渦發(fa)生體前後(hòu)的壓差🈲使(shǐ)液體介質(zhi)釋放出氣(qì)體而在渦(wo)街發生體(tǐ)末端附近(jìn)産.生空穴(xué),這在低溫(wēn)工況下尤(yóu)爲嚴重。因(yin)此,必須在(zai)渦街流量(liàng)計下遊設(she)置背壓以(yi)避免空🛀化(huà)現象的⛱️影(yǐng)響。同時也(yě)說明了采(cǎi)用安置在(zài)渦街發生(shēng)體上測量(liang)交變壓差(cha)或壓力脈(mò)動的測量(liang)方法,并不(bú)适用于低(di)溫工況下(xia)的渦街信(xin)号檢測。
5結(jie)論
(1)通過對(duì)低溫渦街(jiē)流場的CFD仿(páng)真模拟,圖(tú)示了低溫(wēn)渦街㊙️的🏃形(xing)成🐉和💯脫落(luò)過程,便于(yu)更好地分(fèn)析和理解(jie)渦街特性(xing)。
(2)分析渦街(jie)流量計儀(yí)表系數的(de)理論計算(suàn)數據、試驗(yan)數據與❤️仿(páng)真數據,驗(yàn)證了将FLUENT數(shù)值仿真技(ji)術用于渦(wo)街流👄量計(jì)内部流場(chǎng)分析的有(you)效性,可以(yi)作爲渦街(jiē)🌈流量計的(de)優化🈲設計(ji)的♊理論指(zhǐ)🔱導依據。
(3)對(duì)低溫渦街(jiē)和常溫渦(wō)街的流場(chǎng)分布進行(háng)對比,從低(dī)黏🍓度流體(tǐ)介質物性(xìng)的角度解(jiě)釋了低溫(wen)渦街流場(chǎng)的特殊性(xing),并對低💃🏻溫(wen)渦街壓電(diàn)傳感器位(wèi)置設置提(tí)出了有益(yì)建議。

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