摘(zhāi)要：通常大口徑管道的流(liú)體流速較低(dī),根(gēn)據渦(wō)街流量計(jì)
原理(lǐ),其(qí)産(chǎn)生的(de)渦街信号頻率(lǜ)和幅值也(yě)很低(dī)、傳統的懸(xuán)臂粱式渦街(jiē)探(tàn)頭在(zài)大口徑管道上(shàng)應用(yòng)時,由于其(qí)相對(duì)管道中軸(zhóu)線的距離更遠(yuǎn),受管道振動的(de)影響更大,無法很好地進行測(cè)量(liàng)采用數(shù)值仿(páng)真軟(ruǎn)件平台ansys+workbench+fluent對大口徑渦街流(liú)量計(jì)
管道發生(shēng)體處的流場特(tè)性(xìng)進行了分析(xī)根據分析(xī)得(dé)出(chū)的結論結(jié)合大(dà)口徑(jìng)管道(dào)發生體的(de)機械特性(xìng),提(tí)出(chū)了位(wèi)于發(fā)生體處基于差壓原理的(de)旋渦頻率(lǜ)檢(jiǎn)測方案(àn)。
大口徑渦街流量計(指管道直(zhí)徑超過300mm)主要用(yòng)于工(gōng)業管道中(zhōng)天然氣(qì)、蒸汽、氮(dàn)氣、氫氣、空氣等(děng)介質的(de)流量計(jì)量。例如：“西氣(qì)東(dōng)輸”、“俄(é)氣南(nán)下”等(děng)工程(chéng)中(zhōng)需要用(yòng)到大量的(de)大口徑渦街(jiē)流垣計(jì)進行(háng)流量(liàng)計(jì)量(liàng)。
國内外(wài)對于渦街流量計的研(yán)究主(zhǔ)要集中在(zài)中(zhōng)小口(kǒu)徑(jìng),對于大口徑渦(wō)街流(liú)量計的研(yán)究很(hěn)少。本(běn)課題的主(zhǔ)要來(lái)源是作者(zhě)所在的課題組(zǔ)在現場調(diào)試傳(chuán)統懸臂式(shì)渦街(jiē)流量計時(shí)發現(xiàn)當管道口徑超(chāo)過250mm時(shí),提取到的(de)渦街信号波形(xíng)嚴重(zhòng)失(shī)真(zhēn)。對懸(xuán)臂式(shì)渦(wō)街探進(jìn)行改進,增加探頭的(de)插入(rù)深度(dù),又極易(yì)引起(qǐ)共振,帶(dài)來更(gèng)大的(de)幹擾信(xìn)号因此(cǐ),需要(yào)研究新的旋渦頻率(lǜ)檢測方案。
1渦街流量(liàng)計工(gōng)作原(yuán)理
渦(wō)街流(liú)量計利用(yòng)流體振動(dòng)原理(lǐ)進行(háng)流量(liàng)測量(liàng),在特定的(de)流(liú)動條件下,流體一(yī)部分動能轉化(huà)爲振(zhèn)動,其振動(dòng)頻率與流速(流(liú)量)有(yǒu)确(què)定的比(bǐ)例關系(xì)。基本原(yuán)理是_2]：在(zài)與被測(cè)介質(zhì)流向(xiàng)垂直的(de)方(fāng)向放置一(yī)非流線型旋渦發生體,當(dāng)流體(tǐ)流過該旋渦發生體時,在發生(shēng)體阻擋(dǎng)面後方(fāng)兩側(cè)交替地(dì)分(fèn)離釋(shì)放出兩列(liè)規則的交錯排(pái)列的旋渦(wō),稱爲(wèi)馮(féng)·卡爾曼渦街(jiē),如圖(tú)1所示(shì)。
旋渦脫落頻率(lǜ)f與發(fā)生(shēng)體兩側(cè)的平均流(liú)速v之(zhī)間存在如(rú)下(xià)關系式
式(shì)中,s爲斯(sī)特勞哈(hā)爾系數(shù)；d爲發(fā)生體(tǐ)迎流面(miàn)的寬度,單化(huà)爲m。斯特勞(láo)哈(hā)爾系數(shù)在很(hěn)寬的(de)一段雷諾(nuò)數範(fàn)圍内(nèi)可保持不(bú)變。因此(cǐ)測(cè)得頻(pín)率就能(néng)得到流(liú)速。
2大口徑(jìng)管道(dào)渦街(jiē)流場仿真
ansysworkbench仿真協(xié)同(tóng)平台(tái)是通過對産品(pǐn)研發流程葉1仿(páng)真環境的開發(fā)與實施(shī),搭(dā)建一個集(jí)成多學科(kē)異構cae技術的仿(páng)真系(xì)統,使得整(zhěng)個建模、仿(páng)真、分(fèn)析、前後處(chù)理無(wú)縫鏈接。
fluent軟件運用cfd軟件(jiàn)群的思(sī)想,具(jù)有許多優(yōu)化的理模型。同(tóng)時采(cǎi)用(yòng)r多(duō)種求解,『法(fǎ)和多重『舣(yǐ)1絡加速(sù)收斂技術,以(yǐ)此來達到最佳的(de)收斂精度fluent可以很(hěn)舭的(de)州測(cè)到内部流(liú)場的(de)變(biàn)化,通過(guò)仿真結果來(lái)指物理實驗、
2．1幾何(hé)模型的建(jiàn)與網(wǎng)格劃分
利(lì)用ansysworkbench—geometry和ansyswork—bench—mesh作爲fluent的前處理(lǐ)模塊,對所(suǒ)研(yán)究(jiū)的流場進(jìn)行幾何建模和網格劃分。在geometry中建立大口(kǒu)徑管道二(èr)維幾何(hé)模(mó)型,如(rú)圖2和圖(tú)3所示。
旋(xuán)渦(wō)産生(shēng)于發生體處,故(gù)将發生體(tǐ)處的(de)網格(gé)細(xì)化,選用(yòng)三角(jiǎo)形(xíng)網格,大(dà)小爲(wèi)6mm。’爲節省計(jì)算資源将前後(hòu)兩部分的(de)網格(gé)設置爲四邊形(xíng)網格,大小(xiǎo)爲24mm。整個網格劃分4所(suǒ)示。總網格數爲(wèi)139194,網格質量很好(hǎo)。
2．2fluent仿真參數(shù)的設(shè)
将mesh中劃(huà)分(fèn)好的網格(gé)文件(jiàn)導入fluent,進(jìn)行(háng)計算(suàn)設置(zhì)fluent的仿真參(cān)數(shù)如下(xià)：
1)求解器(qì)(solution)：基于壓力的二(èr)維雙精度瞬态(tài)(transient)求解(jiě)器(qì)。
2)流體：空(kōng)氣,密度(dù)1．225kg/rn3,運(yùn)動粘(zhān)度1．7894xl0-5m2/s。
3)邊(biān)界條件(boundarycondition)：人(rén)口,流速(sù)入(rù)口(veloci—ty—inlet),根據需要設置不(bú)同的流(liú)速；出口(kǒu),壓力(lì)出(chū)口(pres—sure—outlet),零壓(yā)。
4)非穩(wěn)态計算時間步長(timestepsize)：時間步(bù)長取(qǔ)決的(de)網格(gé)大小(xiǎo)Δx與流速v。一(yī)般取時(shí)間步長(zhǎng)t=Δx/v,根據波形再作(zuò)适當的調整
5)湍(tuān)流模(mó)型(xíng)：rngk—?模型。
6)監(jiān)測點：監測參數(shù)爲渦街(jiē)靜态壓力(lì)(ve~exaveragestaticpressure),具體位置如(rú)圖5所示。差(chà)壓傳(chuán)感器放置(zhì)位置爲将發生體的(de)三角(jiǎo)形邊三等分。
2．3仿(páng)真數據記(jì)錄
将氣體(tǐ)流速(sù)分别設置(zhì)爲5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。運(yùn)行100步之(zhī)後,波形(xíng)呈現(xiàn)周期性。空(kōng)氣流量(liàng)爲5m/s時渦(wō)街流(liú)場的靜(jìng)壓(yā)、速度參數的分(fèn)布情況如圖6所(suǒ)示。對(duì)穩定後的(de)波形作傅裏葉(yè)變換,如圖7所(suǒ)示。
表1～表5依次(cì)爲氣體(tǐ)流(liú)速爲(wèi)5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s時不同取(qǔ)壓位(wèi)置的信(xìn)号記錄(lù)。
2.4數據分(fèn)析
從表(biǎo)1～表5中我們可以(yǐ)看出,當取壓位(wèi)置位于發生體(tǐ)後時,同一流速(sù)下,壓(yā)力最(zuì)大的(de)點位(wèi)于發生體(tǐ)後1.5d處(chù),即p3處；當取(qǔ)壓位(wèi)置位(wèi)于發(fā)生體(tǐ)處時,同一(yī)流速下(xià),壓力變化不(bú)大,隻有pd3明(míng)顯小于pd2和(hé)pd1。爲了兼顧到渦(wō)街信(xìn)号的穩定(dìng)性,應(yīng)盡量(liàng)将差壓傳(chuán)感(gǎn)器安裝(zhuāng)在離(lí)發生體迎(yíng)流遠(yuǎn)的位置,因此取(qǔ)pd2處。不(bú)同流(liú)速下(xià)p3和pd2處(chù)的壓(yā)力對(duì)比,如圖8所示。
由(yóu)圖8中曲線(xiàn)可(kě)知(zhī),pd2處的(de)壓(yā)力明顯(xiǎn)大于p3處(chù),且(qiě)其值越爲(wèi)4倍(bèi)關系。
3試(shì)驗結論(lùn)
大(dà)口徑(jìng)渦街信号發生(shēng)體的尺寸(cùn)通常很大,所以其結(jié)構爲(wèi)鋼闆(pǎn)拼接(jiē)的中空結構。發(fā)生體的沿(yán)管道方向的長度較(jiào)長,足以保證渦(wō)街信号穩定形(xíng)成。且由上(shàng)面仿(páng)真的結(jié)論可知(zhī)pd2處的渦(wō)街(jiē)信号強度(dù)爲(wèi)p3處的4倍(bèi)左右。因(yīn)此(cǐ),本文(wén)提出(chū)了如(rú)圖9所(suǒ)示的漩渦頻率檢測(cè)裝置。
進一(yī)步的(de)研究還需要制(zhì)作旋渦發(fā)生體實物,在實(shí)際的(de)大口(kǒu)徑管(guǎn)道上驗證(zhèng)方案的可(kě)行(háng)性,測試(shì)其抗振(zhèn)動性、重(zhòng)複性(xìng)等。
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