摘要(yào)：對于渦(wō)街(jiē)流量計 的旋(xuán)渦發生(shēng)體的(de)仿真研究主要(yào)集中在形(xíng)狀和(hé)尺(chǐ)寸上，但在現場(chǎng)複雜工(gōng)況環境(jìng)的情況(kuàng)下，發生體(tǐ)的位(wèi)置并(bìng)不(bú)是(shì)固定不變的，會存在(zài)安(ān)裝(zhuāng)偏差(chà)。爲了(le)很好的分析發(fā)生體(tǐ)安裝(zhuāng)偏差帶來的(de)信号強(qiáng)度發(fā)生變(biàn)化的(de)問題，确定不影(yǐng)響信号強(qiáng)度的(de)最大偏差角度(dù)，采用三(sān)角柱型(xíng)發生(shēng)體，在ansys+workbench＋fluent數值(zhí)仿真軟(ruǎn)件(jiàn)平台(tái)環境(jìng)下，根據渦(wō)街流量(liàng)計(jì)的實際物理結構尺(chǐ)寸建立仿真模型，并對其(qí)進行(háng)網格劃分、求解(jiě)，将仿(páng)真(zhēn)得(dé)到的(de)升、阻力(lì)頻(pín)率相(xiàng)比較(jiào)，得出阻力頻率正(zhèng)好是升(shēng)力頻(pín)率的2倍，表(biǎo)明可以利用fluent軟(ruǎn)件對(duì)渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計進(jìn)行三維流(liú)場數值仿真。最(zuì)後利(lì)用fluent軟件，通(tōng)過改(gǎi)變管截面(miàn)與截(jié)流(liú)面(miàn)的夾(jiá)角，在低、中(zhōng)、高速(sù)流速下，對其進(jìn)行取壓，将得到(dào)的信号強(qiáng)度和(hé)頻譜分布進行比較分析，得出(chū)夾(jiá)角(jiǎo)與信号強(qiáng)度的(de)關系：夾(jiá)角在1°～7°範(fàn)圍，對信号(hào)強度(dù)的(de)影(yǐng)響不大，超(chāo)過7°以後影(yǐng)響變大。
1引(yǐn)言
　　随(suí)着計算機技(jì)術(shù)、數值(zhí)計算(suàn)技術(shù)的發(fā)展，現代模(mó)拟仿真技術計(jì)算流體力(lì)學（cmputational fluid dynamics,cfd）也(yě)随之而生(shēng)［1］。它是(shì)對純理論(lùn)和純(chún)實驗方法很好(hǎo)的促(cù)進和補充(chōng)。ＣＦＤ作(zuò)爲一(yī)門新興(xìng)學科，它力求通(tōng)過數值實驗替(tì)代實(shí)物實(shí)驗，采(cǎi)用虛拟流(liú)場來模拟真實流場(chǎng)内部的流體流動情況，從而使(shǐ)得實驗(yàn)研究更(gèng)加方(fāng)便，研究場(chǎng)景更加豐(fēng)富可(kě)編程(chéng)［2－5］。
　　fluent軟件(jiàn)提供(gòng)了多種基于非(fēi)結構化網格的(de)複雜(zá)物理(lǐ)模型(xíng)，并(bìng)針對不同物(wù)理問題的(de)流動(dòng)特點創建(jiàn)出不(bú)同的數(shù)值解法［6］。用戶(hù)可根據實(shí)際需求自(zì)由選(xuǎn)擇，以(yǐ)便在(zài)計算速度、穩定(dìng)性和精度(dù)等(děng)方面達(dá)到好的，提高設(shè)計效率。
　　關(guān)于渦(wō)街流量(liàng)計的發生體數值(zhí)模拟(nǐ)研究，主要(yào)集中(zhōng)在渦(wō)街發生體(tǐ)形狀(zhuàng)和尺(chǐ)寸上(shàng)［7－10］。Ｙａｍａｓａｋｉ指出發生(shēng)體的形狀與幾何參(cān)數和渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計的流量特性(xìng)（儀表(biǎo)系數、線性(xìng)度、重複性、測量(liàng)範圍）與阻(zǔ)力特(tè)性存在相當大的關(guān)聯(lián)關系。Ｓ．Ｃ．Ｌｕｏ等(děng)人研究旋渦發(fā)生體(tǐ)尾緣形狀(zhuàng)以及迎流(liú)角度(dù)對渦(wō)街(jiē)性能的(de)影響(xiǎng)，在(zài)風洞和水槽實驗中，得(dé)出在全(quán)長(zhǎng)相等(děng)的情(qíng)況下，旋渦(wō)強度(dù)随尾緣夾(jiá)角的增大而減(jiǎn)小。彭傑綱等人(rén)在50mm口徑管道氣(qì)流量實驗中，通(tōng)過對不(bú)同尾緣(yuán)夾角角度(dù)的旋(xuán)渦發(fā)生(shēng)體進行(háng)實驗(yàn)研究，得(dé)出(chū)旋渦(wō)發(fā)生體尾(wěi)緣的夾角爲41．8°時具有(yǒu)很好(hǎo)的線(xiàn)性度。賈雲飛等(děng)人通過對(duì)二(èr)維(wéi)渦街流場(chǎng)中的(de)壓力(lì)場(chǎng)進行數(shù)值仿(páng)真(zhēn)研究，得(dé)出(chū)Ｔ形發生體産(chǎn)生的旋渦(wō)信号的強(qiáng)度要(yào)優于(yú)三角柱發生體(tǐ)。
　　渦街流量計利(lì)用流體振動原(yuán)理進(jìn)行流量(liàng)測(cè)量［11］。選(xuǎn)取了應力式渦街(jiē)流量計(jì)進行研究。它通過壓(yā)電(diàn)檢測元(yuán)件獲取電(diàn)壓頻(pín)率，再根(gēn)據流體(tǐ)流量(liàng)與(yǔ)渦街頻(pín)率成(chéng)正比得出(chū)被(bèi)測流量。在過(guò)去的渦(wō)街流(liú)量(liàng)計研究中(zhōng)，一直(zhí)将研(yán)究(jiū)重點放(fàng)在真(zhēn)實流(liú)場實(shí)驗中，但這需要(yào)重複更換(huàn)口徑(jìng)、調節(jiē)流(liú)量(liàng)，大大(dà)降低了(le)工(gōng)作效(xiào)率。爲(wèi)解決此問(wèn)題(tí)，采用三(sān)維渦(wō)街流場數值(zhí)分析的方法(fǎ)對内(nèi)部流場的變化進行研究(jiū)。
　　通過(guò)fluent軟件對三(sān)維渦(wō)街流場進(jìn)行數(shù)值仿(páng)真(zhēn)，并(bìng)将不(bú)同流(liú)速(sù)下的升(shēng)、阻力(lì)系數進行(háng)比較(jiào)，驗證數值(zhí)仿真(zhēn)可行性(xìng)。并通過改(gǎi)變(biàn)管截面與(yǔ)截(jié)流面之(zhī)間的夾角(jiǎo)，在低(dī)、中、高(gāo)速流速下(xià)，進行取壓(yā)，最終得出随着夾角(jiǎo)的不同(tóng)，信号強(qiáng)度不同(tóng)。夾角在(zài)1°～7°範(fàn)圍，對信号強(qiáng)度的衰(shuāi)減影響不大(dà)，超過7°以後對信号強度影(yǐng)響變大，并随着(zhe)流速(sù)的增加，趨(qū)勢越來越強。
2升、阻力(lì)系數
　　旋渦(wō)脫落時，流體施(shī)加給(gěi)柱體一個(gè)垂直于主(zhǔ)流的周期性交(jiāo)變作(zuò)用力，稱(chēng)爲(wèi)升力(lì)［12］。由于柱體(tǐ)兩側(cè)交替(tì)的釋放旋渦時(shí)，剛釋放完(wán)渦流的一側柱面，擾流改善，側面總壓(yā)力降低；将要(yào)釋放渦流(liú)的另一側(cè)柱面，擾流較差(chà)，側面(miàn)總壓力較(jiào)大，從(cóng)而形成一個作用在三(sān)角柱上、方向(xiàng)總是指向(xiàng)剛釋放(fàng)完渦流那一側的(de)作用(yòng)力，所(suǒ)以升力的交變頻率和旋(xuán)渦的脫落頻率(lǜ)一緻，升力的變化規律和(hé)旋渦的變化(huà)規律一(yī)緻，因(yīn)而通(tōng)過監(jiān)視柱面上(shàng)的升(shēng)力變化(huà)規律，可以反映(yìng)旋渦脫落規律。阻(zǔ)力系數反(fǎn)映(yìng)的(de)是柱(zhù)體迎(yíng)流方向上(shàng)的作用力變化(huà)情況，每當(dāng)柱體(tǐ)兩側(cè)不管哪一邊的(de)釋放旋渦(wō)一(yī)次，迎(yíng)流方向(xiàng)上的作(zuò)用(yòng)力都(dōu)會随(suí)壓力變化(huà)有規律地變化(huà)一次，因此(cǐ)，升力(lì)系數變(biàn)化(huà)的一(yī)個周期内，阻力系數變化爲兩個周期(qī)。
3三維渦(wō)街流場模拟的(de)可(kě)行性(xìng)分(fèn)析
3．1幾(jǐ)何建模與網格劃分(fèn)
　　圖1是在ansys workbench中(zhōng)建立的(de)三(sān)維渦(wō)街流量計幾何(hé)模型(xíng)。其中(zhōng)管道(dào)口徑50mm，管道長1000mm，旋(xuán)渦發生體截流(liú)面寬(kuān)度(dù)14mm，管截面(miàn)與截流面夾角爲(wèi)α。

對(duì)幾何模型(xíng)進行(háng)非(fēi)結構網(wǎng)格劃(huà)分，作爲數(shù)值(zhí)模拟的(de)載體(tǐ)，如圖2所示。

3．2仿真(zhēn)參數設置(zhì)
在fluent中(zhōng)，三維(wéi)渦街(jiē)流場(chǎng)參數(shù)設置如下(xià)：
1）流體：空氣(qì)（ａｉｒ）；
2）湍流(liú)模型：renormalization-group(rng)ｋ－ε模型；
3）邊界(jiè)條件
①流速(sù)入口(kǒu)邊界：根據需要設置不同流速(sù)、湍流動能和耗散率(lǜ)；
②壓力(lì)出口(kǒu)邊界：零(líng)壓；
4）求解器：基于壓力的(de)三維(wéi)雙精度(dù)瞬态求解(jiě)器；
5）數值(zhí)計算過程：simple算法(fǎ)。
3．3升、阻力變(biàn)化頻(pín)率的(de)計算(suàn)結果(guǒ)及分析
圖(tú)3所示(shì)速度等值。三維(wéi)渦街流場(chǎng)在夾(jiá)角爲0°，入口(kǒu)流速爲5m/s的(de)情況(kuàng)下的(de)速度(dù)等值線圖(tú)。

　　通過仿(páng)真模拟(nǐ)，圖4給出(chū)流速ｕ＝5m/s時(shí)，作用(yòng)在三角柱(zhù)上的升力系數(shù)和阻(zǔ)力系(xì)數(shù)變(biàn)化曲線。由(yóu)圖5升(shēng)力系(xì)數的ＦＦＴ曲線(xiàn)可以(yǐ)看出其頻(pín)率爲(wèi)ＦＬ＝87．92Ｈｚ。從圖6阻力(lì)系數的ＦＦＴ曲(qǔ)線(xiàn)可(kě)以看出其(qí)頻率(lǜ)爲ＦＤ＝176．43Ｈｚ，約爲(wèi)升(shēng)力系(xì)數變(biàn)化頻率的(de)2倍。



　　爲了驗證将(jiāng)fluent用于(yú)渦(wō)街(jiē)流(liú)量(liàng)計的三維(wéi)流場(chǎng)仿真的可行性(xìng)，對不同流速下(xià)的升、阻力頻率(lǜ)進行(háng)比較，如表(biǎo)1所示。可以看出(chū)阻力(lì)系(xì)數變化頻率是升力系(xì)數變化(huà)頻(pín)率的(de)2倍，說明(míng)用fluent進行(háng)渦街流(liú)量(liàng)計的三維(wéi)仿真是可(kě)行的。

4仿(páng)真結果
　　基于上(shàng)述(shù)通過(guò)升、阻力(lì)變化頻(pín)率的關系驗證(zhèng)出利(lì)用fluent對(duì)三維(wéi)渦街流場進行(háng)仿真(zhēn)是(shì)可行的(de)。應用(yòng)fluent對(duì)截流夾(jiá)角、流速和信号強度之間的關(guān)系進(jìn)行(háng)了仿真研究(jiū)。分别取7m/s、40m/s和(hé)70m/s的流速，α的角度(dù)在0°～10°範圍(wéi)内取值(zhí)（發生體(tǐ)的安裝偏差(chà)一般不會(huì)超過(guò)10°），進行數值(zhí)仿真。記錄信号(hào)強度(dù)，如表2所示。

　　将表(biǎo)2的(de)數據繪(huì)制成圖(tú)7，将圖7中(zhōng)流速爲7m/s的數據(jù)放大如圖8所(suǒ)示(shì)。觀察圖7、8，可(kě)以直(zhí)觀的反(fǎn)應出夾角、流(liú)速與信号(hào)強(qiáng)度的關系變化。通過(guò)對(duì)比這(zhè)3張圖可以(yǐ)看出，信号強(qiáng)度(dù)随着(zhe)夾角(jiǎo)、流速的不(bú)同而不(bú)同(tóng)。并從(cóng)圖中得出結論(lùn)：
1）渦街的信(xìn)号強(qiáng)度與流速成正比，随着流速的增加，旋渦脫落(luò)頻率(lǜ)信号強(qiáng)度(dù)會顯著增加。
2）在(zài)流速相(xiàng)同的情(qíng)況下，随着(zhe)夾角的增(zēng)大，信号強(qiáng)度逐漸減(jiǎn)小，并随着(zhe)夾角(jiǎo)的增(zēng)大，信号強度的(de)衰減(jiǎn)程度也逐漸增大(dà)。夾(jiá)角在1°～7°範圍，對(duì)信号(hào)強(qiáng)度的衰減影響(xiǎng)不大，可忽略，超(chāo)過7°以後(hòu)對(duì)信号(hào)強度影響(xiǎng)變大(dà)，不可忽略3）在夾(jiá)角相同的情況(kuàng)下，随着(zhe)流(liú)速的增大(dà)，信号強度衰減(jiǎn)趨勢(shì)越來(lái)越明顯。


5結論(lùn)
　　流(liú)場仿真在(zài)渦街(jiē)流量(liàng)計的設計和完善中正變(biàn)得越(yuè)來越重要(yào)，它通過理(lǐ)論支持指導仿真的(de)可實施(shī)性(xìng)，并将(jiāng)仿真(zhēn)結論用于實驗中，提高效(xiào)率。通(tōng)過模拟三(sān)維渦街(jiē)流(liú)場三(sān)角柱繞流現象(xiàng)，将升、阻力(lì)頻率進行(háng)對比，驗證(zhèng)了可(kě)将fluent用于三(sān)維渦街(jiē)流(liú)場的(de)仿真中。并從不(bú)同流(liú)速(sù)和(hé)不同(tóng)截(jié)流夾角兩方(fāng)面分(fèn)别考(kǎo)慮，對(duì)比分析(xī)了(le)三維(wéi)渦街(jiē)信(xìn)号的信(xìn)号強度，得出夾角在(zài)1°～7°範(fàn)圍(wéi)，對信(xìn)号強度的影響不大，超(chāo)過了7°以(yǐ)後影響變大。從(cóng)而爲以(yǐ)後(hòu)的實(shí)驗做出理論指(zhǐ)導。進一(yī)步(bù)的研究可以通過對不同(tóng)形狀的旋(xuán)渦發(fā)生體(tǐ)取不同截流(liú)夾(jiá)角和(hé)不同流速(sù)進(jìn)行(háng)仿真對(duì)比研究(jiū)。

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