蒸汽作爲一(yī)種重(zhòng)要的(de)二次清潔能(néng)源(yuán)，在電(diàn)廠、石油化(huà)工、食品、機械加工等(děng)工業生産領域(yù)和人(rén)民的日(rì)常(cháng)生活中占(zhàn)據了越來越(yuè)重要的(de)地位(wèi)。爲了提高(gāo)蒸汽的計量水(shuǐ)平，标準孔闆、噴(pēn)嘴以及渦(wō)街流量計等多種類(lèi)型的蒸汽儀表(biǎo)，而在衆(zhōng)多(duō)類型(xíng)蒸汽(qì)儀(yí)表(biǎo)中，渦(wō)街流量計以其結構簡單、測量(liàng)範圍寬(kuān)、壓損小(xiǎo)、測量(liàng)時無可動(dòng)件等優點在蒸(zhēng)汽計(jì)量中(zhōng)得到快速的推(tuī)廣和(hé)使用(yòng)。
1 渦街流量(liàng)計
　　渦街流量計(jì) ( 又稱旋渦流量計) 是根(gēn)據(jù) “卡門(mén)渦街(jiē)”原理研制(zhì)成的流體振蕩(dàng)式(shì)流(liú)量測量儀(yí)表。所謂 “卡(kǎ)門渦(wō)街”現象就是在(zài)測量管道流動的流(liú)體(tǐ)中插入(rù)一(yī)根 ( 或多根) 迎(yíng)流面爲(wèi)非流(liú)線(xiàn)型的旋渦(wō)發生體，當雷諾數達(dá)到一(yī)定(dìng)值時，從(cóng)旋渦發生(shēng)體下(xià)遊兩側交(jiāo)替地分離(lí)釋放出兩(liǎng)串規(guī)則的交錯(cuò)排列(liè)的(de)旋渦，這種旋渦稱(chēng)爲卡(kǎ)門渦(wō)街。在一定(dìng)雷諾數(shù)範(fàn)圍内(nèi)，旋渦的(de)分離頻(pín)率與旋渦(wō)發生(shēng)體(tǐ)的(de)幾何尺寸(cùn)、管道的幾何尺寸有(yǒu)關，旋渦的(de)頻率正比于管道流(liú)體流量，并(bìng)可由各種型式(shì)的傳感器檢出(chū)，渦街流量(liàng)計工(gōng)作原理如圖 1 所(suǒ)示。

卡(kǎ)門渦街頻率計(jì)算公(gōng)式(shì)爲:

　　式中(zhōng): f 爲旋渦頻(pín)率; sr爲斯特勞哈爾數(shù); m 爲(wèi)旋渦發(fā)生體(tǐ)兩側(cè)弓(gōng)形面積(jī)與管道橫截面面積之(zhī)比，不可(kě)壓縮流體中，由(yóu)于(yú)流體密度 ρ 不(bú)變，由連續(xù)性方程可得到 m = u/u1。

　　不同(tóng)介質(zhì)對(duì)渦街流(liú)量計性能(néng)的影(yǐng)響最終(zhōng)體現在(zài)儀表(biǎo)系(xì)數的差異上(shàng)，所以本文(wén)使用(yòng) fluent 軟(ruǎn)件建立(lì)渦街流量(liàng)計的(de)幾何模型，然後(hòu)對不同介質下(xià)的流(liú)場進行仿(páng)真分析，并仿真(zhēn)得到不同介質下的儀表系數(shù)，最終通過(guò)實驗(yàn)驗證得到空氣(qì)和水作爲替代(dài)介質(zhì)導緻的與蒸汽實流标定(dìng)得到的儀表系(xì)的差異(yì)。
2 仿(páng)真模(mó)型與條(tiáo)件的設(shè)定
2. 1 仿(páng)真(zhēn)模型
　　選(xuǎn)擇 dn100 口徑的(de)渦街(jiē)流量(liàng)計進行研(yán)究，利用(yòng) gambit 軟件建立渦街(jiē)流量計幾何模型并劃(huà)分網格，渦(wō)街流(liú)量計發生體(tǐ)橫(héng)截面網格(gé)如圖(tú) 2 所示(shì)。

　　爲了(le)提高(gāo)計算(suàn)效率(lǜ)，渦街發生體處(chù)重點加密，其他(tā)區域适(shì)當的稀(xī)疏(shū)。從(cóng)圖(tú) 2 可(kě)以看(kàn)出，渦街發生體所處流場網格(gé)均勻加(jiā)密。通過加密(mì)畫法，靠近(jìn)渦(wō)街發生(shēng)體的橫截面網(wǎng)格(gé)較(jiào)密，遠離渦(wō)街發(fā)生體(tǐ)而靠近管壁的網格較稀疏。
2. 2 仿(páng)真(zhēn)條件設(shè)定
　　仿(páng)真選擇三種流體材質，分(fèn)别爲空(kōng)氣(qì)和蒸(zhēng)汽兩(liǎng)種可壓縮(suō)流體以及不可(kě)壓縮(suō)的水，在 fluent 中(zhōng)空氣和(hé)蒸汽材質通過(guò)設定氣(qì)體的(de)密度選項來實現。對于不(bú)可壓縮流體選擇的密(mì)度爲常(cháng)數; 空氣(qì)介質選擇默(mò)認(rèn)密度 1. 225 kg/m3，其(qí)密度設定爲理(lǐ)想氣(qì)體，在(zài)叠代(dài)計算(suàn)的過程中(zhōng)，根據氣體狀态(tài)方程(chéng)壓(yā)強(qiáng)的變化修正流體的(de)密度; 蒸汽介質的密度根據if － 97 公式，利用 udf 編程設(shè)置。
仿(páng)真模型選(xuǎn)擇 Ｒng k － ε 雙(shuāng)方程湍流(liú)模型，該模型可(kě)以很好地(dì)處理(lǐ)高應(yīng)變率以及(jí)流線(xiàn)彎曲(qǔ)程度(dù)較大(dà)的流(liú)體流(liú)動，非(fēi)常适(shì)合具有旋渦脫落現(xiàn)象的渦(wō)街流場(chǎng)仿真(zhēn)［8］。
3 流場仿真(zhēn)分析
　　根據(jù)公式(shì) ( 1) 可知，影(yǐng)響渦街(jiē)流量計旋(xuán)渦頻率的是(shì)發(fā)生體(tǐ)兩側的流(liú)速 u1和發生(shēng)體的結構(gòu)，由于發(fā)生(shēng)體(tǐ)結(jié)構尺寸是固定(dìng)的，因此(cǐ)頻(pín)率隻(zhī)與 u1相(xiàng)關，需(xū)要觀(guān)測在相同入口(kǒu)流速(sù) u 的條件(jiàn)下 u1變化(huà)來得(dé)到頻(pín)率的變(biàn)化，而速(sù)度的變化(huà)必然會導緻流(liú)體密(mì)度的(de)變化，因此(cǐ)可觀測發生體兩側(cè)的密度雲圖，來判(pàn)斷可壓(yā)縮(suō)性對渦(wō)街流(liú)量計(jì)流速 u1的影(yǐng)響，通過仿真得到如圖 3 ( a) 所示的(de)不可壓縮(suō)流體(tǐ)發(fā)生(shēng)體兩側的(de)密度雲圖和(hé)如圖 3 ( b) 所(suǒ)示的可壓(yā)縮流體(tǐ)發生體(tǐ)兩側的密度雲(yún)圖。

　　由(yóu)圖 3 可以看(kàn)出，不(bú)可(kě)壓縮(suō)流(liú)體的密度(dù)在仿(páng)真過(guò)程(chéng)中沒有(yǒu)發生變化，可壓(yā)縮流體的密度(dù)發生(shēng)了變(biàn)化，必然會導緻兩側速度(dù) u1的變化。可(kě)壓縮流體經過(guò)發生體後(hòu)密度(dù)變小會導緻 u1變(biàn)大。
　　根據(jù)圖(tú) 3 得到(dào)的結論(lùn)，對渦街(jiē)流量計進行蒸(zhēng)汽(qì)、空氣和(hé)水三(sān)種介質下的(de)軟(ruǎn)件仿(páng)真，設(shè)置三(sān)種介質的入口(kǒu)流速(sù)均爲 50 m/s，取渦(wō)街發生體迎流面側棱(léng)中點與(yǔ)管壁連(lián)線(xiàn)，如圖(tú) 2 中線段 ab所(suǒ)示。取(qǔ)該線(xiàn)上的速度值，将(jiāng)蒸汽(qì)、空氣(qì)和水三種(zhǒng)介質(zhì)下的速度曲線(xiàn)進行比較，結果如圖(tú) 4所示(shì)。

　　從圖 4 中可以看出，在(zài)靠近渦街發生(shēng)體的位置(zhì)，可壓縮流體流速明顯大于不(bú)可壓縮(suō)流體流速，且(qiě)空氣的流速要(yào)大于(yú)蒸汽介質(zhì)的流速(sù)。因(yīn)此空(kōng)氣介(jiè)質受(shòu)氣體(tǐ)可壓縮性的影(yǐng)響較大。
　　渦(wō)街(jiē)流量計的計(jì)量性(xìng)能最終反映到(dào)儀表系數上，渦(wō)街流量計兩側(cè)的旋渦頻率決定了儀表(biǎo)系數(shù)的大小，圖 5 爲仿真得到(dào)的渦街(jiē)流量計(jì)渦流流(liú)場靜(jìng)壓雲圖。從(cóng)圖中可以(yǐ)看出兩個(gè)明(míng)顯(xiǎn)的脫落旋渦。圖(tú)中 a 區(qū)域靜壓大，b 區域(yù)靜壓小。靜壓最小的位置是 c 處(chù)，也就是(shì)脫落旋(xuán)渦的(de)渦(wō)心位置(zhì)。檢測(cè)渦街發生(shēng)體下遊 1d 處(chù)的靜(jìng)壓變化得(dé)到如圖 6 所示(shì)的靜壓變化圖(tú)。

　　對圖 6 中靜壓數值進(jìn)行快速(sù)傅立葉(yè)變換(huàn)，得到如圖 7 所示的三(sān)種介(jiè)質下(xià)的旋渦脫(tuō)落頻率圖(tú)。
通過(guò)讀取圖 7 三種介質旋渦(wō)脫落頻(pín)率圖最高

點的頻率，可以得到空氣介質(zhì)的旋(xuán)渦(wō)脫落頻(pín)率爲1 595 hz，蒸汽介質(zhì)的旋渦(wō)脫(tuō)落頻(pín)率爲 1 579 hz，水介質的(de)旋渦脫落頻率爲1 559 hz。代入公式 ( 1)可(kě)以發現，渦(wō)街流量計(jì)在相(xiàng)同管(guǎn)道直徑相同入口速度(dù)的(de)情況(kuàng)下(xià)在水介質中(zhōng)得到的儀表系(xì)數最小、蒸汽次(cì)之、空(kōng)氣最(zuì)大。說(shuō)明空(kōng)氣(qì)受(shòu)氣體介質的可壓縮(suō)性影響大，在發生體兩側(cè)的密(mì)度變化率(lǜ)較蒸汽要大。
4 實驗驗(yàn)證
　　爲驗證仿真(zhēn)分析(xī)得到(dào)的結論，利用負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量(liàng)計量(liàng)标準(zhǔn)裝置、蒸(zhēng)汽實流(liú)計量标準裝置(zhì)和水(shuǐ)流量(liàng)計量(liàng)标準裝(zhuāng)置對該(gāi)結構(gòu)類型的渦(wō)街(jiē)流量計進行(háng)三種介質的實驗研究，各測試條件參(cān)數如表(biǎo) 1 所示。

在上述實驗條件下得到(dào)三種标(biāo)準(zhǔn)計量裝置的儀表系(xì)數，實驗(yàn)結果如(rú)圖 8 所(suǒ)示。

　　由(yóu)圖 8 可(kě)看(kàn)出，在實驗過程中，空(kōng)氣與水的(de)儀表(biǎo)系數(shù)與仿(páng)真分(fèn)析基(jī)本相(xiàng)符，但(dàn)蒸汽介(jiè)質(zhì)的儀表系(xì)數要(yào)小，這主(zhǔ)要(yào)是因爲蒸(zhēng)汽(qì)介質的(de)高溫使發生體(tǐ)的幾(jǐ)何尺(chǐ)寸(cùn)發(fā)生變化(huà)導(dǎo)緻的(de)儀表系數的改(gǎi)變。
根據經驗公(gōng)式 ( 4) :

　　由公式(shì) ( 4) 可以(yǐ)知道随着溫度的升(shēng)高，儀表系(xì)數會減(jiǎn)小，因此就出現了(le)圖 8 所(suǒ)示實驗數據與圖 7 仿真頻率計(jì)算出的儀(yí)表系數的微小差異(yì)。
5 結論
　　利用(yòng) fluent 軟件(jiàn)實現了渦街流(liú)量計在不同介(jiè)質下的流(liú)場仿真，根(gēn)據卡(kǎ)門渦街的(de)産生(shēng)機理(lǐ)，對比(bǐ)分析了空(kōng)氣、蒸汽和水(shuǐ)三(sān)種不同介(jiè)質條件下的(de)流場，仿(páng)真結(jié)果表明随(suí)着可壓(yā)縮(suō)性的(de)增強，渦街流(liú)量計的(de)儀表系數(shù)随之變大，因此(cǐ)在渦街流量計的首次或者後(hòu)續檢定中盡量(liàng)采用(yòng)與(yǔ)工況相同的(de)介質進行(háng)标定。

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