蒸汽作爲(wèi)一種重要(yào)的二次清(qing)潔能源，在(zai)電廠、石油(you)化工、食品(pin)、機📧械加工(gong)等工業生(shēng)産領域和(hé)人民的日(ri)常生活中(zhōng)🙇‍♀️占據了越(yuè)來越重要(yào)的地位。爲(wei)了提高蒸(zhēng)汽的計🔴量(liàng)水平，标準(zhun)孔闆、噴嘴(zuǐ)以及渦街(jie)流量計等(děng)多種類型(xíng)的蒸汽儀(yi)表，而在衆(zhōng)多類型蒸(zheng)汽儀表中(zhong)，渦街流量(liang)計以其結(jie)構簡單、測(cè)量範圍寬(kuān)、壓損小🏒、測(ce)量時無可(ke)動件等優(yōu)點在蒸汽(qì)計量中得(de)到快速❗的(de)推廣和使(shi)用。
1 渦街流(liu)量計
　　渦街(jie)流量計 ( 又(you)稱旋渦流(liu)量計) 是根(gēn)據 “卡門渦(wo)街”原理研(yan)制成的❌流(liu)體振蕩式(shi)流量測量(liang)儀表。所謂(wèi) “卡門渦街(jiē)”現象就是(shi)在測✨量管(guan)道流動的(de)流體中插(chā)入一根 ( 或(huo)多根) 迎流(liu)面爲非流(liú)線型的旋(xuán)渦👅發生體(ti)，當雷諾數(shù)達到一定(ding)值時，從旋(xuan)渦發生體(tǐ)下遊兩側(ce)交替⛷️地分(fèn)離釋放出(chu)兩串規則(ze)的交錯排(pai)列的旋渦(wo)，這種📧旋渦(wo)稱爲卡門(men)👈渦街。在一(yi)定雷諾數(shù)範圍内，旋(xuan)渦的分離(lí)頻率與旋(xuan)渦發生體(ti)的幾何尺(chǐ)寸、管道的(de)幾何尺寸(cun)有關，旋渦(wo)的頻率正(zhèng)比于管道(dao)流體流量(liang)，并可由各(gè)種型♉式的(de)傳感器🐕檢(jiǎn)出，渦🏒街流(liú)量計工作(zuo)原理📧如圖(tu) 1 所示。

卡門渦街(jie)頻率計算(suàn)公式爲:

　　式(shi)中: f 爲旋渦(wō)頻率; Sr爲斯(sī)特勞哈爾(ěr)數; m 爲旋渦(wo)發生體兩(liǎng)側弓形🔞面(mian)⭐積與管道(dào)橫截面面(miàn)積之比，不(bú)可壓縮流(liu)體中，由于(yu)流體密度(du) ρ 不變，由連(lián)續性方程(chéng)可得到📧 m = U/U1。

　　不(bu)同介質對(duì)渦街流量(liàng)計性能的(de)影響最終(zhong)體現在儀(yí)表系數的(de)差異上，所(suo)以本文使(shi)用 Fluent 軟件建(jian)立渦街流(liú)量計的幾(jǐ)何模型，然(rán)後💃🏻對不同(tong)介質下的(de)流場進行(háng)仿真分析(xī)，并💜仿真得(dé)到不同❗介(jie)質下的儀(yí)表系數，最(zui)終通過🈲實(shí)驗驗證得(dé)到空氣和(hé)水作爲替(ti)代介質導(dao)緻的與蒸(zhēng)汽實流标(biao)定得到的(de)儀表系的(de)差異。
2 仿真(zhen)模型與條(tiáo)件的設定(dìng)
2. 1 仿真模型(xing)
　　選擇 DN100 口徑(jìng)的渦街流(liú)量計進行(háng)研究，利用(yòng) Gambit 軟件建立(lì)渦街流☔量(liang)計🤟幾何模(mó)型并劃分(fèn)網格，渦街(jie)流量計發(fa)生體橫截(jié)面網格如(rú)🔴圖 2 所示。

　　爲了提(ti)高計算效(xiào)率，渦街發(fā)生體處重(zhong)點加密，其(qí)他區域适(shì)當的稀疏(shu)。從圖 2 可以(yi)看出，渦街(jiē)發生體所(suo)處流場網(wang)格🙇‍♀️均勻加(jiā)密。通過☎️加(jia)密畫法，靠(kao)近渦街發(fa)生體的橫(héng)截面網格(ge)較密💁，遠離(lí)渦街發生(shēng)體而靠近(jìn)管壁的網(wang)格🌈較稀疏(shū)。
2. 2 仿真條件(jian)設定
　　仿真(zhen)選擇三種(zhong)流體材質(zhi)，分别爲空(kōng)氣和蒸汽(qì)兩種👅可壓(ya)縮流體以(yi)及不可壓(yā)縮的水，在(zai) Fluent 中空氣和(he)蒸汽材質(zhi)通過設定(ding)氣體🥰的密(mi)度選項來(lai)實現。對于(yú)不可壓縮(suō)流體選擇(zé)的密度爲(wèi)常數; 空氣(qì)介質選擇(ze)默認密度(dù) 1. 225 kg/m3，其密度設(she)定爲理想(xiǎng)氣體，在叠(dié)代計算的(de)過程中，根(gēn)據氣體狀(zhuang)态方程壓(ya)強的變化(hua)修🏃🏻‍♂️正流體(ti)的密度; 蒸(zheng)汽介質的(de)密度根據(jù)IF － 97 公式，利用(yòng) UDF 編程設置(zhi)。
仿真模型(xing)選擇 ＲNG k － ε 雙方(fang)程湍流模(mo)型，該模型(xíng)可以很好(hǎo)地處理高(gāo)🚶應變率以(yǐ)及流線彎(wan)曲程度較(jiào)大的流體(tǐ)流動，非常(chang)适合具有(you)旋渦脫落(luo)現象的渦(wō)街流場仿(pang)真［8］。
3 流場仿(pang)真分析
　　根(gēn)據公式 ( 1) 可(ke)知，影響渦(wō)街流量計(ji)旋渦頻率(lǜ)的是發生(shēng)💞體兩側的(de)流速 U1和發(fa)生體的結(jie)構，由于發(fa)生體結🔞構(gou)尺寸是固(gù)定👄的，因此(cǐ)頻率隻與(yǔ) U1相關，需要(yào)觀測在相(xiang)同入口流(liu)速 U 的條件(jiàn)下 U1變化👌來(lái)得到頻率(lü)的變化，而(ér)速度的☂️變(biàn)化必然💔會(hui)導緻流體(tǐ)密度的變(bian)化，因此可(ke)觀測發生(shēng)體兩側的(de)密度雲圖(tú)，來判🍉斷可(ke)壓縮性對(dui)渦街流量(liang)計流速 U1的(de)影響，通🐪過(guò)仿真得到(dào)如圖 3 ( a) 所🔅示(shi)的不可💋壓(yā)縮流🔆體發(fa)生體兩側(cè)的密度雲(yún)圖和如圖(tu)♊ 3 ( b) 所示的可(kě)壓縮流🐇體(tǐ)發生體兩(liang)側的密💁度(du)雲圖。

　　由圖(tu) 3 可以看出(chu)，不可壓縮(suo)流體的密(mi)度在仿真(zhēn)過程☔中沒(mei)有🐆發生變(biàn)化，可壓縮(suo)流體的密(mì)度發生了(le)變化，必然(ran)⁉️會導緻兩(liǎng)側速度 U1的(de)變化。可壓(ya)縮流體經(jing)過發生體(tǐ)後密度變(bian)📐小會導緻(zhi) U1變大。
　　根據(jù)圖 3 得到的(de)結論，對渦(wō)街流量計(ji)進行蒸汽(qì)、空氣❗和水(shuǐ)三種介質(zhi)下的軟件(jian)仿真，設置(zhi)三種介質(zhì)的入口流(liú)✉️速均爲 50 m/s，取(qu)渦街♊發生(sheng)體迎流面(mian)側棱中點(diǎn)與管壁連(lian)線，如圖 2 中(zhong)線段 ab所示(shi)。取該線上(shang)的速度值(zhi)，将蒸汽、空(kong)氣和🏃🏻‍♂️水三(san)種介質下(xia)的速度曲(qu)線進行比(bǐ)較，結果如(ru)圖 4所示。

　　從(cong)圖 4 中可以(yi)看出，在靠(kào)近渦街發(fa)生體的位(wèi)置，可壓縮(suō)流體流速(su)明顯大于(yu)不可壓縮(suo)流體流速(sù)，且空氣的(de)流速要大(da)于蒸汽介(jie)質的流速(su)。因此空氣(qi)介質受氣(qì)體可壓縮(suo)性的影響(xiang)較大。
　　渦街(jiē)流量計的(de)計量性能(néng)最終反映(yìng)到儀表系(xì)數上，渦街(jie)流量計兩(liǎng)側的旋渦(wo)頻率決定(dìng)了儀表系(xì)數的大小(xiao)，圖 5 爲🔱仿真(zhen)得到的渦(wo)街流量計(jì)渦流流場(chǎng)靜壓雲圖(tú)。從圖中可(ke)以看出兩(liǎng)個明顯的(de)脫落旋渦(wō)。圖中 A 區域(yu)靜壓大，B 區(qu)域靜壓小(xiao)。靜壓🔱最小(xiǎo)的位置是(shì) C 處，也🏒就是(shì)脫落旋渦(wo)的渦心位(wèi)置。檢測渦(wō)街發生體(tǐ)下遊 1D 處的(de)靜壓變化(huà)得到如圖(tu) 6 所示的靜(jing)壓變化圖(tu)。

　　對圖 6 中(zhōng)靜壓數值(zhi)進行快速(su)傅立葉變(biàn)換，得到如(rú)圖 7 所示的(de)三種介質(zhi)下的旋渦(wō)脫落頻率(lǜ)圖。
通過讀(dú)取圖 7 三種(zhǒng)介質旋渦(wo)脫落頻率(lǜ)圖最高

點的頻(pín)率，可以得(dé)到空氣介(jiè)質的旋渦(wō)脫落頻率(lǜ)爲1 595 Hz，蒸汽介(jiè)質的旋渦(wo)脫落頻率(lǜ)爲 1 579 Hz，水介質(zhi)的旋渦脫(tuō)落頻率爲(wei)1 559 Hz。代入公🏒式(shì) ( 1)可以發現(xiàn)，渦街流量(liang)計在相同(tong)管道直徑(jìng)相同入口(kǒu)速度的情(qíng)況下在水(shui)介質中得(de)到的儀表(biao)系數最小(xiǎo)、蒸🐉汽次之(zhī)、空氣最大(dà)。說明空氣(qì)受氣體介(jiè)質的可壓(ya)縮性影響(xiǎng)大，在發生(sheng)體兩側的(de)密💰度變化(huà)率較蒸汽(qì)要大。
4 實驗(yàn)驗證
　　爲驗(yàn)證仿真分(fèn)析得到的(de)結論，利用(yong)負壓法音(yīn)速噴嘴氣(qi)體流量🏒計(jì)量标準裝(zhuāng)置、蒸汽實(shí)流計量标(biao)準裝🔱置和(he)水流量計(ji)量标準裝(zhuāng)置對該結(jié)構類型的(de)渦街流量(liàng)計進行三(sān)🐅種介質的(de)實驗研究(jiū)，各測試條(tiáo)件參數如(ru)表 1 所示。

在(zài)上述實驗(yan)條件下得(dé)到三種标(biao)準計量裝(zhuang)置的儀表(biǎo)系數，實驗(yàn)結果如圖(tu) 8 所示。

　　由圖 8 可(ke)看出，在實(shí)驗過程中(zhōng)，空氣與水(shui)的儀表系(xì)數與仿真(zhen)分析基本(běn)相符，但蒸(zheng)汽介質的(de)儀表系數(shù)要小，這🏒主(zhǔ)要是因爲(wèi)蒸汽介質(zhi)的高溫使(shi)發生體的(de)幾何尺寸(cun)發生變化(hua)導緻的儀(yí)表系數的(de)🐕改變。
根據(jù)經驗公式(shi) ( 4) :

　　由公式 ( 4) 可(kě)以知道随(sui)着溫度的(de)升高，儀表(biao)系數會減(jian)小，因此就(jiù)出現了圖(tú) 8 所示實驗(yan)數據與圖(tu) 7 仿真頻率(lü)計算出的(de)儀表系數(shu)的微小差(chà)異。
5 結論
　　利(li)用 Fluent 軟件實(shi)現了渦街(jie)流量計在(zài)不同介質(zhi)下的流🙇‍♀️場(chang)仿真，根據(ju)卡門渦街(jie)的産生機(jī)理，對比分(fen)析了空氣(qi)、蒸🧡汽和水(shui)三種不同(tong)介質條件(jian)下的流場(chang)，仿真結果(guǒ)表明随着(zhe)可壓縮性(xìng)的增強♉，渦(wō)街流量計(ji)的儀表🌂系(xi)數随之變(biàn)大，因此⛹🏻‍♀️在(zai)渦街流量(liang)計的首次(ci)或者後續(xù)檢定中盡(jìn)量采用與(yu)工況相同(tong)的介質進(jìn)行标定。

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