摘要:爲了研究渦街(jiē)流(liú)量(liàng)計 内(nèi)部流場結構,通(tōng)過gambi軟件的(de)非結(jié)構化網格(gé)技術和fluent軟件的(de)rngke模型(xíng)對渦街流量計(jì)的流場進(jìn)行了三維(wéi)數值(zhí)模拟(nǐ),描繪了渦街産生和(hé)脫(tuō)落過程(chéng),着重(zhòng)分析了壁(bì)面壓力分布随(suí)渦街(jiē)脫落的演變情況。結(jié)果表(biǎo)明:渦街(jiē)流(liú)場中靠近(jìn)旋渦發生(shēng)體的壁面(miàn)靜壓有較明顯(xiǎn)的波動,在(zài)距離旋渦(wō)發生(shēng)體一定範(fàn)圍内(nèi),越靠(kào)近旋(xuán)渦發(fā)生(shēng)體,靜壓(yā)幅度(dù)越(yuè)大;而在(zài)對稱(chēng)于管道軸線的位置,壁面(miàn)靜壓(yā)幅度相等(děng),相位相反。該研究爲(wèi)優化渦(wō)街(jiē)流量計的(de)結構(gòu)設計和(hé)測(cè)量性(xìng)能提供了有益(yì)的參(cān)考。
0引言
　　渦(wō)街流量計是近(jìn)年發(fā)展勢(shì)頭良(liáng)好.優點突出的一類(lèi)新型流量測量裝(zhuāng)置(zhì)。它利用在(zài)特定的流(liú)動條件下(xià)流體(tǐ)部分動能産生(shēng)流體振動(dòng),且振動頻(pín)率(lǜ)與(yǔ)流量(liàng)成正比這一特征關系來進行(háng)工作。隻要采用(yòng)合适(shì)的檢測方(fāng)法從與渦(wō)街脫(tuō)落相(xiàng)伴的周期(qī)振動(dòng)的(de)流速、壓(yā)力中(zhōng)提取出頻率,那麽,就可以(yǐ)得到(dào)管道内被(bèi)測流(liú)體(tǐ)的流量(liàng)值川(chuān)。渦街流量(liàng)計的性(xìng)能在很(hěn)大程(chéng)度上受到渦(wō)街流(liú)場結構及其内部參(cān)數(shù)的時空分布的(de)影響。因(yīn)此,研究(jiū)渦街流量計内(nèi)部(bù)流動特(tè)性對(duì)優化其測(cè)量性(xìng)能具(jù)有(yǒu)十分重(zhòng)要的意(yì)義。
　　由于(yú)旋渦(wō)發生體的(de)阻(zǔ)流作用(yòng),渦街(jiē)在管道内的流動是(shì)強烈(liè)的非(fēi)線性時變(biàn)湍流(liú),難以解析地求得流場分布情(qíng)況,所以,至今人們對(duì)旋渦(wō)發生體後旋渦形成(chéng)和脫(tuō)落過程的認識(shí)幾乎(hū)全部(bù)依賴于(yú)經(jīng)驗和(hé)實驗(yàn)。随着計算機技(jì)術的(de)飛速(sù)發展(zhǎn),建立在經(jīng)典流體力(lì)學與(yǔ)數值方法基礎(chǔ)上的(de)計(jì)算流體(tǐ)動力學爲人們研究複(fú)雜流動(dòng)問題提供(gòng)了一(yī)種有效(xiào)的解決(jué)方法(fǎ),通(tōng)過計算機數值(zhí)計算方法和圖像顯示(shì)技(jì)術,可以得到(dào)在時間(jiān)和(hé)空間.上定量描(miáo)述流(liú)場的數值解。
　　目前,人(rén)們對渦街(jiē)流(liú)場的(de)數值模拟逐(zhú)漸從二維(wéi)過渡到和(hé)渦方法等(děng)。國(guó)内外研(yán)究人(rén)員采用了(le)各種數值算法(fǎ)對不同(tóng)形(xíng)狀旋(xuán)渦發生體在不同雷諾(nuò)數下進行了(le)模拟計算(suàn)。總體.上說來,在(zài)雷諾(nuò)數較(jiào)小時(shí),數值模拟(nǐ)的結(jié)果與(yǔ)實際(jì)情況(kuàng)符合(hé)較好,但是(shì),在雷諾數較大(dà)時,各種因(yīn)素對渦街的影(yǐng)響十(shí)分複雜,數值模拟的(de)結(jié)果還不(bú)盡如人意,許多問題還待于(yú)進(jìn)一步深入研究(jiū)。
　　本文利用先進(jìn)的計算流體力(lì)學軟(ruǎn)件fuent及(jí)其前(qián)處理軟件(jiàn)gambii對渦街流量計(jì)内壁(bì)面壓力(lì)分(fèn)布進(jìn)行了(le)數值模拟(nǐ),目的在于獲得(dé)關于渦街(jiē)流(liú)量計内部流場的定性(xìng)或(huò)半定量(liàng)的認識,爲(wèi)優化渦街(jiē)流(liú)量(liàng)計的(de)結構設計和測(cè)量性能提(tí)供有(yǒu)益的參(cān)考(kǎo)。
1計算域和(hé)網(wǎng)格(gé)
　　在模(mó)拟過(guò)程(chéng)中(zhōng),渦街(jiē)流量(liàng)計的(de)計算(suàn)域簡化爲(wèi)具有(yǒu)圓形(xíng)進出口邊(biān)界的(de)軸對稱三(sān)維幾(jǐ)何(hé)模型,坐(zuò)标原(yuán)點設在旋(xuán)渦發生體迎流(liú)面的中心(xīn),如圖1所示(shì)。管道(dào)内徑(jìng)爲50mm,旋(xuán)渦發生體(tǐ)爲梯形(xíng)柱體,迎(yíng)流面寬度(dù)爲14mm.圖1給出了(le):=0截(jié)面(=軸(zhóu)方向(xiàng)垂直紙面向外)管道和旋(xuán)渦發生體的(de)二(èr)維計算域(yù)及其(qí)網格的示意圖。爲了(le)真實地模(mó)拟實(shí)際流(liú)動狀(zhuàng)況，利(lì)用gambi軟(ruǎn)件生成了非結(jié)構化的三角(jiǎo)網(wǎng)格。由(yóu)于旋(xuán)渦(wō)發(fā)生體(tǐ)附近流(liú)場變化(huà)劇烈,因此,對其(qí)周圍(wéi)的網格進(jìn)行了局部加密處理。不同(tóng)流速(sù)的流動情況通(tōng)過改(gǎi)變(biàn)入口速(sù)度來模拟。各求解變量收斂殘(cán)差值(zhí)設置爲1x105。入口(kǒu)邊界設置爲(wèi)沿管(guǎn)道軸(zhóu)向均勻速度入口,其(qí)他方向速(sù)度均(jun1)爲0。出(chū)口邊界設(shè)置爲壓(yā)力出口(kǒu),壓力出口處的(de)表壓爲0。管(guǎn)道和(hé)旋渦(wō)發生體均(jun1)設置(zhì)爲固(gù)體,并且,壁面處無滑(huá)移。
 
2控(kòng)制方(fāng)程(chéng)和計算(suàn)參數
　　與其他流(liú)動過程(chéng)相同,渦(wō)街流動的數學(xué)模型(xíng)也是建立在質(zhì)量守(shǒu)恒定(dìng)律.上(shàng)的連(lián)續方(fāng)程、動量守(shǒu)恒(héng)定(dìng)律上(shàng)的運動方程和熱力學第(dì)一定律.上(shàng)的本(běn)構方程基礎上(shàng)的。綜合(hé)考慮仿(páng)真精度和計算(suàn)成本(běn),采用(yòng)rngke兩方(fāng)程模型。
　　雷諾平(píng)均navierslokes方程(chéng)組爲
 
　　式(shì)中μ爲流體動力粘度(dù);μt爲(wèi)流體湍(tuān)動粘度;δtf爲koneck符号;k爲湍(tuān)流脈動動(dòng)能。
 
　　式中(zhōng)gk爲湍流(liú)動能生(shēng)成(chéng)項;gb爲(wèi)湍流(liú)動能(néng)擴散(sàn)項;ε爲流(liú)體脈動(dòng)動能的耗(hào)散率(lǜ);yat爲湍(tuān)流動能耗(hào)散項;αk,αs。分别爲kε的(de)逆有(yǒu)效普朗特數;sk,s爲自定(dìng)義源(yuán)項。
有(yǒu)效粘度公(gōng)式爲
 
3結果分析(xī)
　　圖2給(gěi)出(chū)了介質(zhì)爲水、入口(kǒu)速度爲15m.s1時(shí)的渦街流(liú)場中靜壓和動(dòng)壓(yā)的分布情況(kuàng)。其他介質(zhì)和入(rù)口速度時的計(jì)算結(jié)果相(xiàng)似。可以看出(chū):旋渦從(cóng)渦街發生體兩(liǎng)側交替脫離形(xíng)成渦街(jiē),分離點(diǎn)在梯(tī)形柱的銳(ruì)邊上。流體流過(guò)旋渦發生體後(hòu),旋渦在向(xiàng)下遊運動(dòng)的(de)同時,旋(xuán)渦強度也逐漸由強(qiáng)變弱。相應(yīng)的,靜壓和動壓(yā)也都(dōu)是在(zài)旋渦(wō)發生體附(fù)近較(jiào)強,在(zài)向下遊運動的過程中強(qiáng)度也(yě)逐漸(jiàn)減弱(ruò)。顯然,旋渦(wō)的周(zhōu)期性變(biàn)化使流場内各種參數(shù)都随之發(fā)生交(jiāo)替的(de)波動,因此(cǐ)，通過檢(jiǎn)測(cè)渦街(jiē)尾流中周(zhōu)期變(biàn)化的某一參數(shù)可以獲取渦街流(liú)動特征。由于(yú)動壓的檢(jiǎn)測比較困(kùn)難,需要将(jiāng)測量件伸入管道内(nèi),因此,不适(shì)宜作爲反映渦街特(tè)性的被測(cè)特征參數(shù)。而管(guǎn)壁處(chù)靜(jìng)壓(yā)的測(cè)量相(xiàng)對來說要簡單(dān)容(róng)易得多(duō),取壓裝置垂直于流(liú)動(dòng)方向且(qiě)位于管壁上,同時其值(zhí)隻需采(cǎi)用普通的動态(tài)壓力(lì)傳(chuán)感器即可測得(dé)。
 
　　爲(wèi)了定(dìng)量比較渦(wō)街流(liú)場空間中不同(tóng)位置(zhì)處(chù)靜壓的(de)大小,圖3給(gěi)出了(le)靜壓在計算域中平行(háng)流向的(de):=0,y=245mm和垂(chuí)直流向的:=0,x=25mm兩(liǎng)條(tiáo)直(zhí)線(xiàn)上的(de)計算結(jié)果。可以看到,渦街流場(chǎng)中靠近旋渦發(fā)生體管壁處的靜(jìng)壓有較明顯(xiǎn)的波動,，沿流動方向靜(jìng)壓在0~50mm區(qū)間内波動明顯、幅度最大,即在(zài)距離旋渦發生體一(yī)定範圍内(nèi),越靠(kào)近旋(xuán)渦發(fā)生體(tǐ),靜壓幅度(dù)越大(dà);而在(zài)垂直(zhí)流動方向上管(guǎn)道内(nèi)壁處的靜壓也(yě)具有較大(dà)的幅度。圖(tú)4給出(chū)了計(jì)算域(yù)中:=0平(píng)面上一對軸對(duì)稱管壁處監測(cè)點p1(10,245,0)和pi(10,24.5,0)靜(jìng)壓(yā)的計算值。從圖中可(kě)以看出:管(guǎn)壁處(chù)軸對(duì)稱的2點靜(jìng)壓波(bō)動的幅度(dù)和頻(pín)率相等而(ér)相位相(xiàng)反,因此(cǐ)，若在(zài)靠(kào)近旋渦(wō)發生體的軸對(duì)稱管壁(bì)上設置(zhì)兩個取壓點測量差(chà)壓,則可構(gòu)成差動(dòng)結構,獲(huò)得的信号更強(qiáng)便于檢測,通過測得的靜壓差(chà)可以檢測管内渦街流動特性(xìng)。
 
4結束語(yǔ)
1)流體流過旋渦發生(shēng)體(tǐ)後,旋渦在(zài)向下(xià)遊運(yùn)動的(de)同時(shí)，旋渦強度逐漸(jiàn)由強變弱,旋渦(wō)的周期(qī)性變化(huà)使流場内靜壓(yā)和動壓(yā)等各種參數(shù)都随之發(fā)生(shēng)交替的(de)波動(dòng);
2)渦街流量計(jì)中(zhōng)靠近(jìn)旋(xuán)渦(wō)發生體的壁面靜壓(yā)有較明顯的波(bō)動(dòng),在距離旋渦(wō)發生體.定(dìng)範圍内,越靠近旋渦(wō)發生體,壁(bì)面靜(jìng)壓幅度越大,而(ér)在對稱于管道(dào)軸線的位置,壁(bì)面靜(jìng)壓(yā)幅(fú)度相等而(ér)相位相反(fǎn)。.
　　總之,渦街(jiē)流量(liàng)計内壁面壓力(lì)可以較好(hǎo)地(dì)表(biǎo)征渦街(jiē)脫落的(de)過程,通(tōng)過采用合适(shì)的檢測和(hé)信号處理方法(fǎ)可以(yǐ)使人.們(men)從(cóng)多個角度來提(tí)取渦街特性。并(bìng)且,關于渦街流量計(jì)内部流場(chǎng)的定性或(huò)半定(dìng)量的認識(shí)将有(yǒu)助于優(yōu)化渦街(jiē)流量計的結構(gòu)設計及其測量(liàng)性能。

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