1 引(yǐn)言
   随着(zhe)計算機(jī)技術(shù)、數(shù)值(zhí)計算(suàn)技術(shù)的(de)發展，現(xiàn)代模拟仿(páng)真技術計(jì)算流體力學（computational　fluid　dynamics，cfd）也随之(zhī)而生(shēng)。它是對(duì)純理論(lùn)和純(chún)實驗(yàn)方法很好的促進和(hé)補充(chōng)。cfd作爲一門(mén)新興(xìng)學科(kē)，它力(lì)求通過數值實(shí)驗替代實物實(shí)驗，采(cǎi)用虛拟流(liú)場來模拟真實(shí)流場(chǎng)内部(bù)的流體流動情(qíng)況，從而使(shǐ)得實(shí)驗研究更加方便，研(yán)究場景更(gèng)加豐富可編程。
fluent軟件(jiàn)提供了(le)多(duō)種基(jī)于非(fēi)結構化網(wǎng)格的複雜物理(lǐ)模型(xíng)，并針對(duì)不同物理問(wèn)題的(de)流動(dòng)特點(diǎn)創建出不同的數值(zhí)解法(fǎ)。用戶可根(gēn)據實際需求(qiú)自(zì)由選(xuǎn)擇，以便在(zài)計算速度、穩定(dìng)性和精度等方(fāng)面達到最佳，提(tí)高設(shè)計(jì)效率。
  關(guān)于渦街流(liú)量計 的發生(shēng)體(tǐ)數值(zhí)模拟研究(jiū)，主要(yào)集(jí)中在渦街發(fā)生體形狀和尺(chǐ)寸上。yamasaki指出發生(shēng)體的形狀(zhuàng)與幾何參數和渦街(jiē)流量計的流量(liàng)特性（儀表(biǎo)系數、線性度、重(zhòng)複性、測量(liàng)範(fàn)圍）與阻(zǔ)力特性(xìng)存在相(xiàng)當大的關聯關(guān)系。s.c.luo等人研(yán)究旋渦發(fā)生體(tǐ)尾緣(yuán)形狀以及迎流(liú)角度對渦(wō)街性(xìng)能的影響，在風(fēng)洞和水槽實驗(yàn)中，得出在(zài)全長相等(děng)的(de)情況下，旋渦(wō)強度随尾(wěi)緣(yuán)夾(jiá)角的增大(dà)而減小。彭傑(jié)綱(gāng)等人在50mm口徑管道氣流(liú)量實驗中，通(tōng)過對不同(tóng)尾緣夾角(jiǎo)角度(dù)的旋(xuán)渦發生體(tǐ)進行實驗(yàn)研究，得出(chū)旋(xuán)渦發生(shēng)體尾(wěi)緣的(de)夾角(jiǎo)爲41.8°時具有很好(hǎo)的線性(xìng)度。賈雲(yún)飛等人通過對(duì)二維渦街流場中的壓力場進(jìn)行數值仿(páng)真研(yán)究，得出t形(xíng)發生(shēng)體産生的旋渦(wō)信号的強度要(yào)優于(yú)三角柱發生(shēng)體(tǐ)。
    渦街流量(liàng)計利(lì)用流(liú)體振(zhèn)動原(yuán)理(lǐ)進行流量測(cè)量。選(xuǎn)取了(le)應力(lì)式渦街流(liú)量計進(jìn)行(háng)研究。它通(tōng)過壓(yā)電檢測元件獲(huò)取電(diàn)壓頻率，再根據(jù)流體流(liú)量與渦(wō)街頻(pín)率成(chéng)正比(bǐ)得出被測(cè)流量(liàng)。在過(guò)去(qù)的(de)渦街(jiē)流量計研(yán)究中(zhōng)，一直将研究重(zhòng)點(diǎn)放在真(zhēn)實流場實(shí)驗中，但這(zhè)需要(yào)重複(fú)更換口徑、調(diào)節流量(liàng)，大大降低(dī)了工(gōng)作效(xiào)率。爲解決(jué)此問題，采用三維渦(wō)街流場數(shù)值分析(xī)的方法對内部流場的變(biàn)化進(jìn)行(háng)研究(jiū)。
    通過(guò)fluent軟(ruǎn)件對三(sān)維渦街流(liú)場進(jìn)行數值(zhí)仿真，并(bìng)将不同流速下(xià)的升(shēng)、阻力(lì)系數(shù)進行(háng)比較(jiào)，驗證(zhèng)數值(zhí)仿真(zhēn)可行(háng)性。并通(tōng)過(guò)改變(biàn)管截(jié)面與截流面之間的(de)夾角(jiǎo)，在低、中(zhōng)、高速流(liú)速下(xià)，進行(háng)取壓(yā)，最終(zhōng)得出随着(zhe)夾角(jiǎo)的不同，信号強度不(bú)同。夾(jiá)角在1°～7°範(fàn)圍(wéi)，對(duì)信号強度的(de)衰減影響不(bú)大，超過(guò)7°以後(hòu)對信号強(qiáng)度影響變大，并(bìng)随着(zhe)流速的增(zēng)加，趨勢越(yuè)來越強。
2 升(shēng)、阻(zǔ)力系數(shù)
    旋渦脫落時，流體施加給柱體(tǐ)一個垂(chuí)直于主(zhǔ)流的(de)周期(qī)性交(jiāo)變作(zuò)用力(lì)，稱爲(wèi)升力。由(yóu)于柱體兩側交替(tì)的釋放旋渦時(shí)，剛釋放完渦流的一(yī)側柱(zhù)面，擾流改善，側(cè)面總壓力(lì)降低；将(jiāng)要(yào)釋放(fàng)渦流的另一側柱面，擾流(liú)較差，側面總壓力較(jiào)大，從(cóng)而形成一個作用在(zài)三角(jiǎo)柱上、方(fāng)向總(zǒng)是(shì)指向剛釋(shì)放完渦流那(nà)一側的作用(yòng)力，所以升力的交變頻率(lǜ)和旋(xuán)渦的脫落頻率一(yī)緻，升力(lì)的變(biàn)化規律和(hé)旋渦的(de)變化規律一緻，因(yīn)而通(tōng)過監視柱面上的升力變(biàn)化規律，可(kě)以反映旋(xuán)渦脫(tuō)落(luò)規(guī)律。
    阻力系(xì)數反映的(de)是柱體迎(yíng)流方(fāng)向上(shàng)的作用力變化(huà)情況(kuàng)，每當柱體兩側不管(guǎn)哪一(yī)邊的(de)釋放(fàng)旋渦一次(cì)，迎流(liú)方向上的作用力都會(huì)随壓力變化(huà)有規(guī)律地變化一次(cì)，因此(cǐ)，升力系數變(biàn)化(huà)的一個周期内，阻力系數(shù)變化爲兩(liǎng)個周期。
3 三(sān)維渦(wō)街(jiē)流場模(mó)拟的(de)可(kě)行性分(fèn)析
3.1 幾何建(jiàn)模與網格劃(huà)分
圖1是(shì)在ansys　workbench中建立的三(sān)維渦(wō)街(jiē)流量計(jì)幾何模型(xíng)。其中(zhōng)管道口徑(jìng)50mm，管道(dào)長1000mm，旋渦發生體(tǐ)截流面寬度14mm，管(guǎn)截面與截流面(miàn)夾角爲(wèi)α。

對幾何模型(xíng)進行非結(jié)構網格劃(huà)分，作爲數(shù)值模拟的載體(tǐ)，如圖2所示。

3.2 仿(páng)真參數設置
在fluent中(zhōng)，三維(wéi)渦街(jiē)流場參數(shù)設置如下：
1）流體(tǐ)：空氣（air）；
2）湍(tuān)流模型(xíng)：renormalization－group（rng）k－ε模型；
3）邊界(jiè)條件
①流速入口(kǒu)邊界(jiè)：根據需要設置不同(tóng)流速、湍流動能和耗散率(lǜ)；
②壓力(lì)出口邊界：零壓(yā)；
4）求(qiú)解(jiě)器：基(jī)于壓力的三維(wéi)雙精(jīng)度瞬态求(qiú)解器(qì)；
5）數值計算(suàn)過程：simple算法(fǎ)。
3.3 升、阻(zǔ)力(lì)變化頻率的(de)計算結果(guǒ)及分(fèn)析
圖3所(suǒ)示速度(dù)等值。三(sān)維(wéi)渦街(jiē)流場(chǎng)在(zài)夾角爲(wèi)0°，入(rù)口(kǒu)流速爲5m/s的(de)情況下的(de)速度等值線圖(tú)。

    通過仿真(zhēn)模拟，圖4給出流速(sù)u＝5m/s時(shí)，作用在三(sān)角柱上的(de)升力系數(shù)和阻(zǔ)力系(xì)數變化曲(qǔ)線。由圖(tú)5升力系數的(de)fft曲線可以看出(chū)其頻(pín)率爲(wèi)fl＝87.92hz。從圖6阻力(lì)系數(shù)的fft曲線可(kě)以看出其(qí)頻率爲fd＝176.43hz，約(yuē)爲升力系數變化頻率的2倍。

    爲(wèi)了驗證(zhèng)将(jiāng)fluent用于(yú)渦街(jiē)流量(liàng)計的(de)三維(wéi)流場仿真(zhēn)的可行性，對不同流速(sù)下的升、阻力頻率進行(háng)比較，如表1所示(shì)。可以(yǐ)看出阻力(lì)系數變化頻率是升力(lì)系數變(biàn)化頻(pín)率的(de)2倍，說(shuō)明用fluent進行渦街(jiē)流量計的三維(wéi)仿真是可行的(de)。

4 仿(páng)真結果(guǒ)
    基于(yú)上述通過升、阻(zǔ)力變(biàn)化頻率的關系驗證(zhèng)出利用fluent對(duì)三維(wéi)渦街(jiē)流場進行仿真(zhēn)是可行的。本節應用(yòng)fluent對截(jié)流夾角、流速和信号(hào)強度之(zhī)間的關(guān)系進行了(le)仿真(zhēn)研究(jiū)。分别取7m/s、40m/s和(hé)70m/s的流(liú)速α的(de)角度在0°～10°範(fàn)圍内(nèi)取值(zhí)（發生(shēng)體的(de)安裝偏差一(yī)般(bān)不會(huì)超過10°），進行(háng)數值(zhí)仿真。記錄信号強度，如(rú)表(biǎo)2所示(shì)。

    将表2的數據繪(huì)制成圖(tú)7，将(jiāng)圖7中(zhōng)流速爲7m/s的數據(jù)放大如(rú)圖(tú)8所示(shì)。觀察(chá)圖(tú)7、8，可以直(zhí)觀的(de)反應(yīng)出夾(jiá)角、流速與信号(hào)強度的(de)關系變(biàn)化。通過(guò)對(duì)比這(zhè)3張圖可以(yǐ)看出，信号強度随着(zhe)夾角、流速(sù)的不(bú)同而不同。并從(cóng)圖中得出(chū)結論：
1）渦街(jiē)的信号強(qiáng)度與(yǔ)流(liú)速成正(zhèng)比，随着流(liú)速的(de)增加，旋(xuán)渦(wō)脫(tuō)落頻率信号強度(dù)會顯(xiǎn)著增加。
2）在流速(sù)相同(tóng)的情況下(xià)，随着夾角(jiǎo)的增大，信号強度逐漸(jiàn)減(jiǎn)小，并(bìng)随着(zhe)夾角的增(zēng)大，信(xìn)号強度的(de)衰(shuāi)減程度也逐(zhú)漸增大。夾角在(zài)1°～7°範圍(wéi)，對信号強(qiáng)度的衰減(jiǎn)影響(xiǎng)不大(dà)，可忽略，超過7°以後對信号(hào)強度影響變大(dà)，不可(kě)忽(hū)略。
3）在夾(jiá)角相同的情況下，随(suí)着(zhe)流速的(de)增大(dà)，信(xìn)号強度(dù)衰減趨勢(shì)越來越明(míng)顯。

5 結(jié)論
    流(liú)場仿真在(zài)渦街(jiē)流量(liàng)計的設計(jì)和完善中正變(biàn)得越來(lái)越(yuè)重(zhòng)要(yào)，它通過理(lǐ)論支(zhī)持指導仿真的(de)可實施性，并将(jiāng)仿真結論(lùn)用于(yú)實驗中，提高(gāo)效率。通(tōng)過模拟三(sān)維渦街(jiē)流場三(sān)角柱繞流現象(xiàng)，将升、阻力頻率(lǜ)進行對比，驗證(zhèng)了可将fluent用于三(sān)維渦街流場的(de)仿真(zhēn)中。并從不同流(liú)速和(hé)不同(tóng)截流夾角兩方(fāng)面分别考慮，對(duì)比分析了三維(wéi)渦街(jiē)信号(hào)的信(xìn)号(hào)強度，得(dé)出夾(jiá)角在1°～7°範圍，對信(xìn)号強度(dù)的(de)影響(xiǎng)不大(dà)，超過了7°以(yǐ)後影響變大。從(cóng)而(ér)爲以後的實(shí)驗做出理(lǐ)論指(zhǐ)導。進一步(bù)的研究可以(yǐ)通過對不同(tóng)形(xíng)狀的旋(xuán)渦發生(shēng)體(tǐ)取不同截流夾(jiá)角和(hé)不同流速(sù)進行(háng)仿真(zhēn)對(duì)比(bǐ)研究。

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