摘(zhāi)要：目(mù)前對于渦(wō)街流(liú)量(liàng)計
漩渦發生體的(de)位置(zhì)研究(jiū)僅局(jú)限于(yú)二維的仿真研究，但實(shí)際流體(tǐ)撞擊漩渦(wō)發生體是(shì)流體三維(wéi)模型(xíng)。鑒于二維(wéi)仿真并不(bú)能完全對實際流體撞擊(jī)漩渦發生(shēng)體的流場進行(háng)驗證，采用數值(zhí)仿真軟件(jiàn)平ansys+workbench+fluent，根(gēn)據實際(jì)渦街發(fā)生體的機(jī)械尺寸建(jiàn)立相應的(de)三維仿(páng)真模型。并對(duì)仿真模型(xíng)進行網格(gé)細分(fèn)，再通過n—s方(fāng)程進(jìn)行(háng)求解計算，通過仿(páng)真與在(zài)線(xiàn)實驗對(duì)比(bǐ)驗證(zhèng)表明通過fiuent軟件(jiàn)對實(shí)際渦(wō)街流場進(jìn)行仿真的(de)可行性。最終利用fluent軟件(jiàn)，對不同(tóng)流速，通(tōng)過調整(zhěng)發生體平移的(de)位置最終确定(dìng)發生體位置對渦街信号(hào)的影(yǐng)響，從(cóng)而确定發(fā)生體(tǐ)允(yǔn)許(xǔ)最大(dà)的(de)平移位置占(zhàn)。
1引言
随着渦街流量(liàng)計(jì)在國内(nèi)各行各業(yè)的使用量(liàng)逐(zhú)漸增大(dà)，各高校、研究所(suǒ)和流(liú)量計生(shēng)産(chǎn)廠商的學(xué)者和研究人員也對此展(zhǎn)開了各方(fāng)面的研究，渦街(jiē)流場的數(shù)值仿真的(de)研究和實現也是(shì)其(qí)中一(yī)個重(zhòng)點(diǎn)]。
基于渦(wō)街流量(liàng)計的測量原理渦街發(fā)生體的設計要求就(jiù)尤爲重要(yào)，而在實際設計(jì)生産當中不能(néng)保證(zhèng)發(fā)生體的中心(xīn)位(wèi)置(zhì)在管(guǎn)道的(de)中(zhōng)軸(zhóu)線上(shàng)，發生體與管道中軸線偏離多(duō)少會對最終的(de)測量産生(shēng)影響(xiǎng)需要重複更換(huàn)發生(shēng)體，操(cāo)作起(qǐ)來費(fèi)時費力。鑒(jiàn)于以上原(yuán)因對(duì)進行對渦(wō)街發(fā)生體移動(dòng)位置(zhì)進行(háng)仿真研究，通過仿真結果(guǒ)來指導物理實驗，并根據(jù)物理(lǐ)實驗結(jié)果進一步完善傳(chuán)感器(qì)結構(gòu)。
2渦街流量(liàng)計原(yuán)理
渦(wō)街流量計利用(yòng)流體振動(dòng)原(yuán)理進行(háng)流量(liàng)測量(liàng)，在特定的(de)流(liú)動條件(jiàn)下,流(liú)體-部(bù)分(fèn)動(dòng)能轉化(huà)爲(wèi)振動,其振(zhèn)動頻率與(yǔ)流速(流量)有确(què)定(dìng)的比(bǐ)例關系(xì)。1878年斯特(tè)勞(láo)哈爾(ěr)(strouhal)發表了關于流(liú)體振動(dòng)頻率與流速關系的文(wén)章的。渦街流量(liàng)計的基本原(yuán)理是:在與被(bèi)測介(jiè)質流向垂(chuí)直的(de)方向放(fàng)置--個非(fēi)流線(xiàn)型旋渦發(fā)生體，當流(liú)體流過該旋渦(wō)發生(shēng)體時(shí)，在(zài)發(fā)生體(tǐ)後方(fāng)兩側交替(tì)地分離(lí)釋放出(chū)兩列規(guī)則(zé)的交(jiāo)錯排列的旋渦(wō)，稱爲(wèi)馮.卡爾曼渦街(jiē)們，如(rú)圖1所(suǒ)示。當(dāng)旋渦發生(shēng)體右(或左)下方(fāng)産生一個(gè)旋渦(wō)後，在(zài)旋渦發生(shēng)體上(shàng)産生一個(gè)升力。在旋渦發(fā)生體的後方(fāng)安(ān)裝應力式(shì)壓電(diàn)傳感器(qì)，可(kě)以将作用在旋(xuán)渦發(fā)生(shēng)體(tǐ)上的升力(lì)轉換(huàn)爲電(diàn)荷信(xìn)号。該(gāi)電荷信号(hào)的變化(huà)頻(pín)率與(yǔ)旋渦的脫離頻(pín)率一(yī).緻。通過檢(jiǎn)測電荷(hé)信号的變化頻率，就可以得到旋渦的分離(lí)頻率(lǜ)口。
3渦(wō)街流場模(mó)型分(fèn)析
雷諾時均方(fāng)程的方(fāng)法(fǎ)求解出來的是(shì)流動變量的針對時(shí)間的平均值.無(wú)法給出流場結構的詳細信息(xī)，體現不出(chū)湍流(liú)流動的瞬時性(xìng)特點(diǎn)。大渦(wō)模拟(nǐ)(largeeddysimulation,les)是近代湍流研究中,用(yòng)計(jì)算機直接求解n-s方程(chéng)的(de)一種方法,它從空(kōng)間的角度(dù)對大渦進(jìn)行直接模拟，對小渦(wō)進行模型化處(chù)理，從而使(shǐ)得網(wǎng)格要求(qiú)比(bǐ)dns低。其(qí)基本(běn)思想是;将(jiāng)流動的區(qū)域分(fèn)爲兩(liǎng)個(gè)部分:一(yī)部(bù)分是(shì)可通過(guò)求解(jiě)定常三維(wéi)n-s方程獲(huò)得(dé)的大(dà)尺度渦旋流動(dòng)部分，另一(yī)部分是不(bú)需要直接(jiē)計算可采(cǎi)用通(tōng)用模(mó)型(xíng)獲得的(de)小尺度(dù)部(bù)分。
les的控制方(fāng)程(chéng)是對(duì)n-s方程在波數空(kōng)間或物理空間(jiān)進行過濾(lǜ)得到(dào)的。過(guò)濾的過程(chéng)是去掉比過濾寬度(dù)或(huò)者給定(dìng)物理寬度小的(de)旋渦，從而(ér)得到大旋渦(wō)的控制(zhì)方程(chéng)。對(duì)于均勻(yún)湍流,常用(yòng)卷積(jī)濾波定義變量(liàng)的大尺度(dù)成分:
爲了直觀得到(dào)渦街(jiē)信号真實的(de)流動曲線及(jí)流場分(fèn)布(bù),本課(kè)題采用les湍(tuān)流模(mó)型來模拟渦街流場。在(zài)cfd-post中.選用(yòng)二階(jiē)迎風(fēng)差分(fèn)格式(shì)及(jí)simple算法”進行仿真。如(rú)圖2爲(wèi)流體(tǐ)流(liú)經三角(jiǎo)柱發生體時的流線圖，可(kě)以從(cóng)圖中清晰(xī)地看到旋(xuán)渦的産生、脫落,以(yǐ)及渦街(jiē)流量計的工作(zuò)流場。
4三維(wéi)渦街流場仿真
通(tōng)過fluent軟件對實(shí)際管(guǎn)道中的流(liú)場進(jìn)行仿真,其(qí)中在使用(yòng)fluent設置相關參數時是(shì)根據實際(jì)管道(dào)中發生體(tǐ)的尺(chǐ)寸進行配(pèi)置,圖3爲實際(jì)管道中(zhōng)發生(shēng)體在管道(dào)中(zhōng)平移後的三(sān)視圖。
發生體中(zhōng)心線平行(háng)于基(jī)準軸(zhóu)線。這種情況下(xià)，會産(chǎn)生位置偏差，平移距離記作δ。如(rú)圖4所示(shì)。
在(zài)geometry中建立發(fā)生體中(zhōng)心線平(píng)行于(yú)基準(zhǔn)軸線的三維幾(jǐ)何模型。如(rú)圖5所示。
可(kě)以從圖7中看出(chū)即使(shǐ)發生體位(wèi)置與理想位置存在偏差，仍然(rán)會出現旋渦脫落現(xiàn)象(xiàng)。并且當(dāng)發生體上(shàng)側的旋渦從産(chǎn)生到(dào)脫落時.發(fā)生體下側(cè)在爲旋渦(wō)的産(chǎn)生做準備(bèi)，而不(bú)會産生旋(xuán)渦。同(tóng)時當(dāng)上側(cè)旋渦離開(kāi)發生(shēng)體一段距(jù)離以(yǐ)後(hòu)，下側才(cái)開始(shǐ)出現(xiàn)旋渦(wō)。
發(fā)生(shēng)體在理想(xiǎng)位置時産(chǎn)生(shēng)的旋渦是交替排列的(de)，而發(fā)生體在中(zhōng)心線發生平移的情況下，會根據δ的不同使得旋渦(wō)脫落後朝(cháo)中心線相對基(jī)準軸線平移(yí)的(de)方向(xiàng)碰撞(zhuàng)到管(guǎn)壁。針對此現象對低(dī)速(4m/s)、中(zhōng)速(40m/s)和高速(70m/s)流速下進行仿真研究，并(bìng)将數據記(jì)錄到(dào)表1中(zhōng)。
爲了更爲直觀(guān)地反映出圖8中不同(tóng)流速(sù)下的旋渦信号(hào)強度随平移位(wèi)置的(de)變(biàn)化規律(lǜ),現将(jiāng)表1中的旋(xuán)渦信(xìn)号(hào)強度用表2的偏移程度(dù)來表示。
将表(biǎo)2中的數(shù)據(jù)繪制(zhì)成圖(tú)8。從圖(tú)中可以看(kàn)出信(xìn)号強(qiáng)度随着偏(piān)移距離，流速的(de)不同而(ér)不同。并(bìng)且得出以下結論:無(wú)論(lùn)是(shì)低速(sù)(4m/s).中速(sù)(40m/s)、還是高速(70m/s)流速下,随(suí)着平(píng)移距(jù)離的(de)增(zēng)加，信号(hào)強度(dù)減弱(ruò),偏移(yí)程(chéng)度增加(jiā)。平移(yí)距離(lí)越小(xiǎo)，偏(piān)移(yí)程度(dù)越小(xiǎo),随着(zhe)平移距離(lí)的增加，平移距(jù)離與偏移程度近似于(yú)平(píng)方關系。
通過觀(guān)察低(dī)速(4m/s)、中(zhōng)速(40m/s)和高速(sù)(70m/s)流速下渦街流場中旋渦的産(chǎn)生-脫(tuō)落圖，可以(yǐ)發現(xiàn)，當平移距離較(jiào)小時，會在(zài)發生(shēng)體尾(wěi)部生(shēng)成兩(liǎng)列規則排(pái)列的(de)旋渦(wō)。繼續增加偏移距離(lí)，會出現(xiàn)旋渦發生體尾部(bù)産生交替排列的旋渦向(xiàng)發生體尾(wěi)部(bù)産(chǎn)生(shēng)的旋渦(wō)碰撞到管壁的(de)過渡點。流(liú)速爲(wèi)4m/s時，過(guò)渡點在0.3d處(chù);流速爲40m/s和70m/s時，過(guò)渡點在(zài)0.4d處。也就(jiù)是說，當流(liú)速爲4m/s,平移(yí)距離(lí)爲0.3d、0.4d和(hé)0.5d時，發生體(tǐ)産生的旋(xuán)渦會碰撞到管壁;當(dāng)流速(sù)爲40m/s或(huò)70m/s,偏移距離爲0.4d和0.5d時(shí)，發(fā)生體(tǐ)産生的(de)旋渦會(huì)碰撞(zhuàng)到(dào)管壁。
5仿(páng)真與實際流速(sù)對比
實驗室使用50mm口徑(jìng)液體流(liú)場進行(háng)實驗其(qí)中實(shí)驗裝置如圖(tú)9所示(shì),由于限(xiàn)制本(běn)實(shí)驗主要(yào)針對低流速下(xià)進行(háng)實(shí)驗仿真(zhēn)對比(bǐ)。
渦街流量(liàng)計安裝在閥門(mén)的下(xià)遊,由于閥門上遊連接的(de)，水箱在水泵不(bú)斷送水的狀态(tài)下一-直呈(chéng)溢出狀态，因(yīn)此(cǐ)可認爲上(shàng)遊水(shuǐ)箱的液位是穩定的(de)。實驗中通(tōng)過調節閥門的開度達到控制回路(lù)中流(liú)量大小，同(tóng)時與仿真中的(de)流速進行(háng)對比(bǐ)，其中(zhōng)δ爲(wèi)發(fā)生體(tǐ)平移(yí)距離。
6結論(lùn)
流場仿真(zhēn)在渦街流量計傳感(gǎn)器設計以(yǐ)及優化傳(chuán)感器設計(jì)變得(dé)越(yuè)來越重(zhòng)要,它(tā)通過理論(lùn)支持指(zhǐ)導(dǎo)仿真(zhēn)的可(kě)實施(shī)性，并(bìng)将仿真結(jié)論用于實(shí)驗中,大大(dà)縮短(duǎn)了設(shè)計周期。
通過模拟三(sān)維渦街(jiē)流場(chǎng)以(yǐ)及渦(wō)街流(liú)量計的漩渦(wō)發(fā)生體,通過(guò)改變發生(shēng)體與管道(dào)基準軸的(de)距離(lí)從而(ér)得到不同(tóng)的漩渦信(xìn)号,通過仿(páng)真與(yǔ)實際(jì)管道(dào)流(liú)體的實驗對(duì)比可以看出,在(zài)發生體(tǐ)中心線(xiàn)相對(duì)于(yú)基(jī)準軸線發(fā)生平移的(de)情(qíng)況下，渦(wō)街流(liú)場的(de)旋渦信号(hào)強度是流(liú)體流(liú)速和平移距離(lí)的共(gòng)同作(zuò)用結(jié)果,同時在(zài)發生(shēng)體偏(piān)離中心軸在0.05d以内則不影(yǐng)響渦街流量計(jì)的最(zuì)終(zhōng)測量精(jīng)度(dù),這(zhè)爲(wèi)實(shí)際設(shè)計發生體做(zuò)出(chū)理論(lùn)指導。
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