摘(zhāi)要:通(tōng)過fluent對典(diǎn)型的渦(wō)街流量計(jì) 在低溫流體中的卡(kǎ)門渦街流(liú)場(chǎng)特性進行理論分(fèn)析和數值仿真(zhēn),并與(yǔ)常溫(wēn)工況(kuàng)下(xià)的渦(wō)街流場(chǎng)進行比較,分析(xī)低溫流(liú)體(tǐ)的旋渦分離(lí)過程,得出流量與渦街分離(lí)頻率的對(duì)應關系。研究表(biǎo)明,數值仿真方(fāng)法成本低,适于模拟(nǐ)複雜流場(chǎng),爲(wèi)低溫渦(wō)街流量計(jì)在渦(wō)街發(fā)生體(tǐ)形(xíng)狀(zhuàng)和壓電振動傳感器(qì)采樣(yàng)位(wèi)置的設計(jì)與(yǔ)優化提供(gòng)理論依據(jù)。.
1引言(yán)
　　渦街流量計具有儀表(biǎo)系(xì)數穩(wěn)定、瞬(shùn)時流量測量正(zhèng)确、量(liàng)程範(fàn)圍寬(kuān)、壓力損失(shī)小、結構和(hé)檢測(cè)方式組合(hé)多樣(yàng)、便于安裝(zhuāng)維護(hù)等(děng)諸多特點，在(zài)流量(liàng)測(cè)量領域占有重(zhòng)要地位(wèi)。常溫下的渦街流量(liàng)計技術已(yǐ)經相當(dāng)成熟，至(zhì)今已(yǐ)發展爲多(duō)種旋渦發(fā)生體(tǐ)形式(shì)及不同檢(jiǎn)測方法，系列化(huà)的産品(pǐn)應用于(yú)各種工業(yè)領域(yù)。但用(yòng)于(yú)低溫(特(tè)别是(shì)超(chāo)低溫,如(rú)液氫(qīng)、液氧、液氮(dàn))流(liú)體(tǐ)測量(liàng)的渦(wō)街流量計(jì)才剛(gāng)剛起(qǐ)步，國(guó)外已在近期開展了(le)研究,在國外航天領(lǐng)域的低溫(wēn)流體(tǐ)流(liú)量測量中使(shǐ)用效果良(liáng)好，并逐(zhú)步(bù)有産(chǎn)品推向(xiàng)市場。目(mù)前,中國國(guó)内少(shǎo)有低溫(wēn)渦街流(liú)量計的産(chǎn)品和(hé)文獻(xiàn)系統報導(dǎo)。
　　在超(chāo)低溫下，信号感測器靈敏(mǐn)度下降,因此必須産(chǎn)生(shēng)更(gèng)加強(qiáng)烈穩定的(de)旋渦,才能提(tí)高信噪(zào)比(bǐ),滿足精(jīng)度要(yào)求。此外，液氫、液(yè)氧和液氮(dàn)等低(dī)溫流體的物性(xìng)極爲特(tè)殊(shū),其黏度極(jí)低(dī),極易産(chǎn)生空穴。衆所周知,旋渦發生體(tǐ)形狀和(hé)檢測位置對(duì)渦(wō)街(jiē)流量計(jì)的(de)測量質量影響很(hěn)大，,但是(shì)受檢測條件和手段的限制，難以對其影響進行有效評(píng)價。利(lì)用計算流體(tǐ)力學(cfd)數(shù)值仿(páng)真的方法(fǎ)模拟不同旋渦發生體渦(wō)街流(liú)量傳感器(qì)内部流場,進(jìn)而(ér)确定旋渦(wō)發生(shēng)體形(xíng)狀以(yǐ)及檢(jiǎn)測點(diǎn)位置,對渦(wō)街流量傳(chuán)感器(qì)的優(yōu)化具(jù)有重(zhòng)要的(de)指(zhǐ)導意義(yì)。本文根(gēn)據(jù)低溫(wēn)流體(以液氮爲(wèi)例)的物性參數(shù)和流體力學理(lǐ)論,對(duì)低溫(wēn)渦街的流(liú)場(chǎng)進(jìn)行理(lǐ)論計算和(hé)數值仿真(zhēn),分(fèn)析(xī)低溫(wēn)流體渦街的産生過程,對(duì)比低(dī)溫渦街(jiē)和常溫(wēn)渦街(jiē)流場(chǎng)分布(bù)的異同,爲低溫(wēn)渦街流量(liàng)計(jì)的(de)設計和優(yōu)化提供理(lǐ)論依據。
2低(dī)溫渦街特(tè)性理(lǐ)論分(fèn)析
2.1渦街流(liú)量計(jì)的工作原理
　　在流體(tǐ)中設(shè)置旋渦發(fā)生體(tǐ),就會從旋渦發(fā)生體兩(liǎng).側交替地産生有(yǒu)規則的旋渦,這種在旋渦(wō)發生體下(xià)遊非對稱排列(liè)的(de)旋渦(wō)列(liè)即卡(kǎ)門渦街。根(gēn)據(jù)卡(kǎ)門渦(wō)街原(yuán)理,旋(xuán)渦頻率ƒ有如下(xià)關系式:
 
　　式中:ƒ爲(wèi)旋渦頻(pín)率,hz;sr爲斯特勞(láo)哈爾數,無(wú)量綱,與(yǔ)旋渦發(fā)生體形(xíng)狀及雷諾數re有關,在re=2×104-7x106範(fàn)圍内(nèi)可視爲常(cháng)數，例如三(sān)角柱(zhù)發生體的(de)斯特勞哈爾數爲sr=0.16;v爲測量(liàng)管内被測(cè)介質的平均流(liú)速，m/s;m爲(wèi)發生體兩側弓形流(liú)通面積之(zhī)和與(yǔ)測量(liàng)管的(de)橫街面積之比,計(jì)算如下(xià):
 
　　式中:d爲渦(wō)街流量計管道口徑(jìng),m;d爲旋渦發生體迎流(liú)面寬度,m,對(duì)于三角柱(zhù)發生(shēng)體而(ér)言(yán),d=0.28d。
　　渦街(jiē)流量計的儀(yí)表系(xì)數k:
 
　　式中:k爲渦街流量計儀(yí)表系數(shù),m-3;qv爲管道内被(bèi)測介質的體積流量,m³/s。
　　可見儀表(biǎo)系數(shù)k與旋(xuán)渦發(fā)生體、管道的幾何(hé)尺寸及(jí)斯特(tè)勞哈(hā)爾(ěr)數(shù)sr有關(guān)。但在sr可(kě)視(shì)爲常(cháng)數的雷(léi)諾數範(fàn)圍内,k就(jiù)隻與旋(xuán)渦(wō)發生體形狀(zhuàng)和管道(dào)幾何(hé)尺寸有關(guān),因(yīn)此渦(wō)街流量(liàng)計(jì)輸出的脈(mò)沖頻率信(xìn)号不受流(liú)體物(wù)性和(hé)組分變化的影響(xiǎng)，隻(zhī)要正(zhèng)确測(cè)得(dé)旋渦頻(pín)率ƒ,就可正确得知被(bèi)測流(liú)體的(de)流速u和體(tǐ)積流(liú)量qv,給(gěi).信号(hào)的測量提供(gòng)了依據(jù)。
2.2低溫渦(wō)街流量(liàng)與頻(pín)率特性
　　圓(yuán)管傳輸流(liú)體的(de)雷諾數re爲(wèi):
 
　　式中(zhōng):ν爲流體運動黏(nián)度,m/s。
　　渦(wō)街(jiē)流(liú)量計(jì)測量液體的最(zuì)低流速一般(bān)≥0.3m/s,最(zuì)大流(liú)速應≤7m/s。以口(kǒu)徑100mm的(de)渦(wō)街流量(liàng)計爲(wèi)例(lì)，在測量(liàng)液氮(77k,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其(qí)雷諾(nuò)數re的上下限(xiàn)爲(wèi):1.53x105≤re≤3.58x106，滿足斯特勞哈(hā)爾數sr可視爲常(cháng)數的(de)雷諾數範(fàn)圍。因(yīn)此,渦街流(liú)量計的特性在原理(lǐ)上也(yě)可以(yǐ)适用于(yú)液氮的(de)低溫(wēn)工(gōng)況流量(liàng)測量。
　　依據(jù)式(3)可(kě)以計算出口(kǒu)徑(jìng)100mm的渦(wō)街流(liú)量計(jì)的儀表系數k=1123m-3.
3低(dī)溫渦(wō)街的(de)流場仿真(zhēn)模型建立(lì).
3.1fluent在渦街仿真中(zhōng)的應用
　　計算機(jī)高性(xìng)能運(yùn)算的不斷提高使計(jì)算流體(tǐ)力學(cfd)技(jì)術更加實(shí)用,越(yuè)來越完(wán)善的流體計算模型開(kāi)始被商業化的(de)cfd軟件(jiàn)所采用，如(rú)fluent集成了衆多湍流模(mó)型、les模型jdes模型、化學反(fǎn)應模型、多(duō)相流模型(xíng)等研究成果。近(jìn)年，在渦街流量(liàng)計設計和(hé)優化(huà)中,越來越多的(de)采用了fluent等cfd軟件(jiàn)進行(háng)數值(zhí)仿真(zhēn),大大節省(shěng)了開(kāi)發成本和周期(qī),并且(qiě)對(duì)其(qí)内部流場(chǎng)有了更加(jiā)深刻和直(zhí)觀的(de)理解。
　　通過兩維(wéi)渦街流場(chǎng)的仿(páng)真,研究了雷諾(nuò)數和剪切率對渦結構的影響(xiǎng)。通過fluent對渦街(jiē)流量計流(liú)場進行(háng)了數(shù)值(zhí)仿(páng)真,據此優(yōu)化設(shè)計渦(wō)街流量計結構(gòu)，選取取壓位置。研究旋(xuán)渦發生體前後(hòu)壓差與(yǔ)流速(sù)之間(jiān)的關系，提出了利用(yòng)單一差壓傳感(gǎn)器測量(liàng)質(zhì)量流(liú)量的新方法。通(tōng)過fluent對梯形發生(shēng)體與t形(xíng)發生體(tǐ)的渦(wō)街流(liú)場進(jìn)行模(mó)拟對(duì)比研(yán)究,并得(dé)到了檢(jiǎn)測點(diǎn)位置。以上(shàng)研(yán)究者的(de)工作(zuò)表明,利用(yòng)fluent仿真(zhēn)能夠較(jiào)真實的(de)反映(yìng)渦街(jiē)流量(liàng)計的(de)内部流場(chǎng)特(tè)性(xìng),在渦街流(liú)量計的(de)開發過(guò)程中(zhōng)扮演(yǎn)越來(lái)越重要(yào)的角色(sè)。
3.2建模與網(wǎng)格劃(huà)分
　　渦街流(liú)量計(jì)的二(èr)維(wéi)仿真結構模(mó)型如(rú)圖1所(suǒ)示,管道口徑爲(wèi)d=100mm,三角(jiǎo)柱旋渦發(fā)生體迎流面寬(kuān)度d=28mm,頂(dǐng)角θ=19°,符(fú)合該(gāi)管道口徑(jìng)下的行業标準。渦街(jiē)流量(liàng)計的網格(gé)劃分采用四邊(biān)形結構化(huà)網格,根據區域的不(bú)規則(zé)程度和流(liú)場的(de)複雜(zá)程度對不同子區域(yù)進行(háng)分别(bié)劃(huà)分(fèn)。
 
3.3求解(jiě)條件設置(zhì)
　　爲(wèi)了能夠計算(suàn)得到流場(chǎng)的正确解,必須給定(dìng)合理的邊界條件和流體(tǐ)物性(xìng),并選擇合适的(de)求解器和計算(suàn)模型。渦街(jiē)流場爲非(fēi)定常流動(dòng)，雷諾(nuò)數較(jiào)高,對(duì)渦街流場(chǎng)仿真(zhēn)的求解條(tiáo)件如表1設置(zhì)。
 
4仿真結(jié)果分(fèn)析
4.1低溫渦街的(de)形成過程(chéng)
　　圖2表(biǎo)示了(le)一個(gè)旋渦(wō)形(xíng)成(chéng)周期(qī)t内不同時(shí)刻的渦街二維流場(chǎng)圖,直觀反映了渦街(jiē)的形成、脫(tuō)落過程(chéng)。可以看(kàn)到邊界層在渦(wō)街發生(shēng)體的兩側平(píng)行棱邊開(kāi)始減速增(zēng)壓運(yùn)動,并(bìng)伴(bàn)有倒流現象。倒流(liú)沿着(zhe)壁面(miàn)向後伸展(zhǎn)使邊界層(céng)明顯增厚(hòu),同時(shí)旋渦(wō)的尺寸不(bú)斷(duàn)增(zēng)大。當(dāng)旋渦增加(jiā)到一定程度後,就從發生體上(shàng)脫(tuō)落分離，随着(zhe)流體向下遊運(yùn)動,形成振蕩尾流。在旋(xuán)渦的中(zhōng)心形(xíng)成(chéng)低(dī)壓區(qū),會随着旋渦的(de)交替産生和脫落過程,在流場(chǎng)中形成周(zhōu)期性變化(huà)的(de)壓力場(chǎng),壓(yā)力場的(de)變化(huà)頻率與旋渦脫落頻率--緻(zhì)。壓電(diàn)式渦(wō)街(jiē)流量計(jì)即是通過(guò)檢測(cè)流(liú)場内振蕩尾(wěi)流中特定點處(chù)的壓力變化頻(pín)率來測(cè)定流速。
 
4.2低溫(wēn)渦街(jiē)仿真(zhēn)結果正确率驗(yàn)證
　　由(yóu)于低溫渦(wō)街試驗條(tiáo)件受(shòu)限,低溫渦街仿(páng)真結(jié)果和理論(lùn)計算值與相同(tóng)結構尺寸(cùn)的常溫渦街流量計在水介(jiè)質(zhì)中的(de)校驗數據進行(háng)比對。如圖(tú)3所示,試驗(yàn)與(yǔ)仿真(zhēn)曲(qǔ)線的(de)線性度都(dōu)很好(hǎo)，而且低溫(wēn)介質與常(cháng)溫介質的數(shù)據(jù)比較(jiào)一緻,驗證了斯特勞(láo)哈爾數st與(yǔ)儀表(biǎo)系數k不随(suí)介質與溫度影響的特性(xìng)。分析(xī)結果(guǒ)可知:渦街(jiē)流量(liàng)計儀(yí)表系(xì)數的試驗值與(yǔ)理論計(jì)算(suàn)值之間的相對(duì)誤差(chà)在3%之内;仿(páng)真值(zhí)與試驗值(zhí)之間(jiān)的相對誤(wù)差在5%之内(nèi),說明所采(cǎi)取的仿真方法(fǎ)比較(jiào)正确,驗(yàn)證了fluent數(shù)值(zhí)仿真技(jì)術用(yòng)于低溫渦(wō)街流(liú)量計流場(chǎng)仿真(zhēn)的可行性(xìng)。
 
4.3低溫渦街與常(cháng)溫渦(wō)街(jiē)的(de)流場分布對比
　　圖4比較了低溫渦街(jiē)與常溫(wēn)渦街的(de)流場分(fèn)布,由于(yú)液氮的粘度比水低很多,流體(tǐ)内部的分(fèn)子間引力(lì)和碰撞較(jiào)弱，流體間(jiān)的(de)相對運(yùn)動阻(zǔ)力較(jiào)大，造成低溫渦(wō)街的(de)流(liú)場中速(sù)度梯度較大,表(biǎo)現爲(wèi)旋(xuán)渦尺(chǐ)寸(cùn)比常溫(wēn)工(gōng)況下的旋渦(wō)小。因此(cǐ)，相比(bǐ)常溫(wēn)下壓(yā)電傳感器的安(ān)置位置而(ér)言，檢測振(zhèn)蕩尾流中(zhōng)旋渦(wō)列(liè)的低溫(wēn)渦街的傳感器就要更靠(kào)近渦街發生體(tǐ),這(zhè)在(zài)設計低溫(wēn)渦街(jiē)流量計(jì)時必須(xū)特殊(shū)考慮。
　　能量(liàng)的相(xiàng)對集中導(dǎo)緻了壓力(lì)梯度(主要爲動壓)也(yě)比較大。但(dàn)必須(xū)注意(yì)到，在旋渦發生體前後的(de)壓差使(shǐ)液(yè)體介(jiè)質釋(shì)放(fàng)出(chū)氣體(tǐ)而在(zài)渦街發生體末端附(fù)近産.生空(kōng)穴,這在低(dī)溫工(gōng)況下(xià)尤爲(wèi)嚴重(zhòng)。因此(cǐ),必須(xū)在渦街流(liú)量計下遊(yóu)設置背壓(yā)以避免空(kōng)化現(xiàn)象的(de)影響(xiǎng)。同(tóng)時(shí)也說明了(le)采用安置(zhì)在渦(wō)街發(fā)生體上測(cè)量交(jiāo)變壓差或壓力(lì)脈動的測量(liàng)方法,并不(bú)适(shì)用于(yú)低溫工(gōng)況下的渦街(jiē)信号檢測。
5結論
(1)通過對低(dī)溫渦(wō)街流場(chǎng)的cfd仿真模(mó)拟,圖示(shì)了低溫渦(wō)街的形成和脫(tuō)落過程,便于更好地(dì)分析和(hé)理(lǐ)解渦(wō)街特(tè)性(xìng)。
(2)分(fèn)析渦(wō)街流量計儀表(biǎo)系數的理論計(jì)算數(shù)據、試驗數(shù)據與(yǔ)仿真數據(jù),驗證了(le)将(jiāng)fluent數值(zhí)仿真(zhēn)技(jì)術用于(yú)渦街(jiē)流量(liàng)計内(nèi)部流(liú)場(chǎng)分(fèn)析的(de)有效(xiào)性,可(kě)以(yǐ)作(zuò)爲渦(wō)街(jiē)流(liú)量計(jì)的優化設計的(de)理論指導依據(jù)。
(3)對低溫渦(wō)街和(hé)常溫(wēn)渦街的流(liú)場分布進(jìn)行對比,從低黏度流(liú)體介質物(wù)性的角度解(jiě)釋了低(dī)溫渦街流場的(de)特殊性,并(bìng)對低(dī)溫渦(wō)街(jiē)壓電傳(chuán)感器(qì)位置設置(zhì)提出了有益建(jiàn)議。

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