1 引言
   随(sui)着計算(suan)機技術(shu)、數值計(ji)算技術(shu)的發展(zhan)，現代模(mo)拟仿真(zhen)技術計(ji)算流體(ti)力學（computational　fluid　dynamics，CFD）也(ye)随之而(er)生。它是(shi)對純理(li)論和純(chun)實驗方(fang)🛀🏻法很好(hao)的促進(jin)和補充(chong)。CFD作爲一(yi)門新🐅興(xing)學科，它(ta)力求通(tong)過數值(zhi)實驗替(ti)代實物(wu)實驗，采(cai)用🐕虛拟(ni)流場來(lai)模拟真(zhen)實流場(chang)内部的(de)流體流(liu)動情況(kuang)，從而使(shi)得實驗(yan)研究更(geng)加方便(bian)，研究場(chang)景更加(jia)豐富可(ke)編程。
FLUENT軟(ruan)件提供(gong)了多種(zhong)基于非(fei)結構化(hua)網格的(de)複雜物(wu)理模型(xing)，并針對(dui)不同物(wu)理問題(ti)的流動(dong)特點創(chuang)建出不(bu)同的數(shu)值🔞解法(fa)。用戶可(ke)根據實(shi)際需求(qiu)自由選(xuan)擇，以便(bian)在計算(suan)速度、穩(wen)定性和(he)精度等(deng)方面達(da)到最佳(jia)，提高設(she)計效🈲率(lü)。
  關于渦(wo)街流量(liang)計 的發(fa)生體數(shu)值模拟(ni)研究，主(zhu)要集中(zhong)在渦街(jie)發生體(ti)㊙️形狀和(he)尺♻️寸🧡上(shang)。Yamasaki指出發(fa)生體的(de)形狀與(yu)幾何參(can)數和渦(wo)街流量(liang)計的流(liu)量🐪特性(xing)（儀表系(xi)數、線性(xing)度、重複(fu)性、測量(liang)範圍）與(yu)阻力特(te)性存在(zai)相當大(da)的關聯(lian)關系。S.C.Luo等(deng)人研究(jiu)旋渦發(fa)生體尾(wei)緣形狀(zhuang)以及迎(ying)流角度(du)對渦街(jie)性能的(de)影響，在(zai)風洞和(he)水槽實(shi)驗中，得(de)出在全(quan)長相等(deng)的情況(kuang)下，旋渦(wo)強度随(sui)尾🌈緣夾(jia)角的增(zeng)大而減(jian)☀️小。彭傑(jie)綱♌等人(ren)在👅50mm口徑(jing)管道氣(qi)流量實(shi)驗中，通(tong)過對不(bu)同尾緣(yuan)夾角角(jiao)度的旋(xuan)渦發生(sheng)體進行(hang)實驗研(yan)究，得出(chu)旋渦發(fa)生體尾(wei)緣的夾(jia)角爲41.8°時(shi)具有很(hen)好的線(xian)🌈性度。賈(jia)雲飛等(deng)人通過(guo)對🚶二維(wei)渦街流(liu)場💋中的(de)壓力場(chang)進行數(shu)值仿真(zhen)研究，得(de)出T形發(fa)生體産(chan)生的旋(xuan)渦😄信号(hao)的強度(du)要優于(yu)三角柱(zhu)發生體(ti)。
    渦街流(liu)量計利(li)用流體(ti)振動原(yuan)理進行(hang)流量測(ce)量。選取(qu)了應力(li)式渦街(jie)流量計(ji)進行研(yan)究。它通(tong)過壓電(dian)檢測元(yuan)件獲取(qu)電壓頻(pin)率，再根(gen)據流體(ti)流量與(yu)渦街頻(pin)率成正(zheng)比得出(chu)被測流(liu)量。在過(guo)🈲去的渦(wo)街流量(liang)計研✌️究(jiu)中，一直(zhi)将研究(jiu)重📱點放(fang)在真實(shi)流場實(shi)驗中，但(dan)這🈲需要(yao)重複更(geng)換口徑(jing)、調節🏃🏻流(liu)量，大大(da)降低了(le)工作效(xiao)♍率。爲解(jie)決此問(wen)題，采用(yong)三維渦(wo)街流場(chang)數值分(fen)析的方(fang)法對内(nei)部流場(chang)的變化(hua)進行研(yan)究。
    通過(guo)FLUENT軟件對(dui)三維渦(wo)街流場(chang)進行數(shu)值仿真(zhen)，并将不(bu)同🈲流速(su)下的升(sheng)、阻力系(xi)數進行(hang)比較，驗(yan)證數值(zhi)仿真可(ke)行性。并(bing)通過改(gai)變✂️管截(jie)☎️面與截(jie)流面之(zhi)間的夾(jia)角，在低(di)、中、高速(su)流速下(xia)，進㊙️行取(qu)壓，最終(zhong)得出随(sui)着夾角(jiao)❌的不同(tong)，信号強(qiang)度不同(tong)。夾角在(zai)☂️1°～7°範圍，對(dui)信号強(qiang)度的衰(shuai)減影響(xiang)不大，超(chao)過7°以後(hou)對信号(hao)強度影(ying)響變大(da)，并随着(zhe)流速的(de)增加，趨(qu)勢越來(lai)越強。
2 升(sheng)、阻力系(xi)數
    旋渦(wo)脫落時(shi)，流體施(shi)加給柱(zhu)體一個(ge)垂直于(yu)主流的(de)♻️周期性(xing)交變作(zuo)用力，稱(cheng)爲升力(li)。由于柱(zhu)體兩側(ce)交替的(de)釋放旋(xuan)渦時，剛(gang)釋放完(wan)渦流的(de)一側柱(zhu)面，擾流(liu)改善，側(ce)面總壓(ya)力💋降低(di)；将要釋(shi)放🥰渦流(liu)的🌂另一(yi)側柱面(mian)，擾流較(jiao)差✌️，側面(mian)總壓力(li)較大，從(cong)而形成(cheng)一個作(zuo)用在🧑🏾‍🤝‍🧑🏼三(san)角柱上(shang)、方⛷️向總(zong)是指向(xiang)剛釋放(fang)完渦流(liu)那一側(ce)的作用(yong)力，所以(yi)♋升力的(de)交變頻(pin)率和旋(xuan)渦的脫(tuo)落♋頻率(lü)✍️一緻，升(sheng)力的變(bian)化🔴規律(lü)和旋渦(wo)的變化(hua)規律一(yi)緻，因而(er)通過監(jian)視柱面(mian)上的升(sheng)力變化(hua)規律，可(ke)☀️以反映(ying)旋渦脫(tuo)落規律(lü)。
    阻力系(xi)數反映(ying)的是柱(zhu)體迎流(liu)方向上(shang)的作用(yong)力變⛱️化(hua)情況，每(mei)當柱體(ti)兩側不(bu)管哪一(yi)邊的釋(shi)放旋渦(wo)一次，迎(ying)流方向(xiang)上🔞的作(zuo)用力都(dou)會随壓(ya)力變化(hua)有規律(lü)👨‍❤️‍👨地變化(hua)一次，因(yin)此，升力(li)系數變(bian)化的一(yi)個周期(qi)内，阻力(li)系數變(bian)化爲兩(liang)個🌈周期(qi)。
3 三維渦(wo)街流場(chang)模拟的(de)可行性(xing)分析
3.1 幾(ji)何建模(mo)與網格(ge)劃分
圖(tu)1是在ANSYS　Workbench中(zhong)建立的(de)三維渦(wo)街流量(liang)計幾何(he)模型。其(qi)中管道(dao)㊙️口徑50mm，管(guan)道長1000mm，旋(xuan)渦發生(sheng)體截流(liu)面寬度(du)14mm，管截面(mian)㊙️與截流(liu)面夾角(jiao)爲α。

對(dui)幾何模(mo)型進行(hang)非結構(gou)網格劃(hua)分，作爲(wei)數值模(mo)拟的🍉載(zai)體，如圖(tu)2所示。

3.2 仿真參(can)數設置(zhi)
在FLUENT中，三(san)維渦街(jie)流場參(can)數設置(zhi)如下：
1）流(liu)體：空氣(qi)（air）；
2）湍流模(mo)型：Renormalization－group（RNG）k－ε模型(xing)；
3）邊界條(tiao)件
①流速(su)入口邊(bian)界：根據(ju)需要設(she)置不同(tong)流速、湍(tuan)流動能(neng)和🧑🏽‍🤝‍🧑🏻耗散(san)率；
②壓力(li)出口邊(bian)界：零壓(ya)；
4）求解器(qi)：基于壓(ya)力的三(san)維雙精(jing)度瞬态(tai)求解器(qi)；
5）數值計(ji)算過程(cheng)：SIMPLE算法。
3.3 升(sheng)、阻力變(bian)化頻率(lü)的計算(suan)結果及(ji)分析
圖(tu)3所示速(su)度等值(zhi)。三維渦(wo)街流場(chang)在夾角(jiao)爲0°，入口(kou)流速爲(wei)5m/s的情🌈況(kuang)下的速(su)度等值(zhi)線圖。

    通(tong)過仿真(zhen)模拟，圖(tu)4給出流(liu)速u＝5m/s時，作(zuo)用在三(san)角柱上(shang)的⁉️升力(li)💜系數和(he)阻力系(xi)數變化(hua)曲線。由(you)圖5升力(li)系數的(de)FFT曲線可(ke)以看出(chu)其頻率(lü)爲FL＝87.92Hz。從圖(tu)6阻力系(xi)數的FFT曲(qu)線可以(yi)看出其(qi)頻率爲(wei)FD＝176.43Hz，約爲☔升(sheng)力系🚩數(shu)變化🌏頻(pin)率的2倍(bei)。

    爲了驗(yan)證将FLUENT用(yong)于渦街(jie)流量計(ji)的三維(wei)流場仿(pang)真的可(ke)☎️行性，對(dui)不同流(liu)速下的(de)升、阻力(li)頻率進(jin)行比較(jiao)，如表1所(suo)示。可以(yi)看出阻(zu)力系數(shu)變化頻(pin)率是升(sheng)力系數(shu)變化頻(pin)率的2倍(bei)💞，說明用(yong)FLUENT進行渦(wo)街流量(liang)計的三(san)維仿真(zhen)是可行(hang)的。

4 仿真(zhen)結果
    基(ji)于上述(shu)通過升(sheng)、阻力變(bian)化頻率(lü)的關系(xi)驗證出(chu)利用FLUENT對(dui)三維💛渦(wo)街流場(chang)進行仿(pang)真是可(ke)行的。本(ben)節應用(yong)FLUENT對截流(liu)夾角、流(liu)⚽速和信(xin)号強度(du)之間的(de)關系進(jin)行了仿(pang)真研究(jiu)。分别取(qu)7m/s、40m/s和70m/s的流(liu)速α的角(jiao)度在0°～10°範(fan)圍内取(qu)值☂️（發生(sheng)體的安(an)裝偏差(cha)一般不(bu)會超過(guo)10°），進行數(shu)值仿真(zhen)。記錄信(xin)号強度(du)，如表2所(suo)示🧡。

    将表(biao)2的數據(ju)繪制成(cheng)圖7，将圖(tu)7中流速(su)爲7m/s的數(shu)據放大(da)如圖🏃‍♂️8所(suo)💜示🔅。觀察(cha)圖7、8，可以(yi)直觀的(de)反應出(chu)夾角、流(liu)速與信(xin)号⁉️強度(du)的關系(xi)變🚶化。通(tong)過對比(bi)這3張圖(tu)可以看(kan)出，信号(hao)強度随(sui)着夾角(jiao)、流速的(de)不同而(er)不同。并(bing)從圖中(zhong)得出結(jie)論：
1）渦街(jie)的信号(hao)強度與(yu)流速成(cheng)正比，随(sui)着流速(su)的增加(jia)，旋渦脫(tuo)落頻💘率(lü)信号強(qiang)度會顯(xian)著增加(jia)。
2）在流速(su)相同的(de)情況下(xia)，随着夾(jia)角的增(zeng)大，信号(hao)強度🔱逐(zhu)💔漸減小(xiao)，并随着(zhe)夾角的(de)增大，信(xin)号強度(du)的衰減(jian)程度也(ye)逐漸增(zeng)大。夾角(jiao)在1°～7°範‼️圍(wei)，對信号(hao)強度的(de)衰減影(ying)響不大(da)，可忽略(lue)，超過7°以(yi)後對信(xin)号強度(du)㊙️影響變(bian)大，不可(ke)忽略。
3）在(zai)夾角相(xiang)同的情(qing)況下，随(sui)着流速(su)的增大(da)，信号強(qiang)度衰減(jian)♻️趨🔞勢越(yue)來越明(ming)顯。

5 結論(lun)
    流場仿(pang)真在渦(wo)街流量(liang)計的設(she)計和完(wan)善中正(zheng)變得越(yue)來🍓越重(zhong)要，它通(tong)過理論(lun)支持指(zhi)導仿真(zhen)的可實(shi)施♉性，并(bing)将仿🥰真(zhen)結論用(yong)🔞于實驗(yan)中，提高(gao)效率。通(tong)過模拟(ni)三維渦(wo)💔街流場(chang)三角柱(zhu)繞流現(xian)⛱️象，将升(sheng)、阻力頻(pin)率進行(hang)對比，驗(yan)證了可(ke)将FLUENT用于(yu)三維渦(wo)街流場(chang)⭐的仿真(zhen)中。并從(cong)不同流(liu)速和不(bu)同截流(liu)夾角兩(liang)方面分(fen)别考慮(lü)🎯，對比分(fen)析了💞三(san)維渦街(jie)信号的(de)信号強(qiang)度，得出(chu)夾角在(zai)1°～7°範圍，對(dui)信号強(qiang)👅度的影(ying)響不大(da)，超過了(le)7°以後影(ying)響變大(da)。從而爲(wei)以後的(de)🌈實驗做(zuo)出理論(lun)指導。進(jin)一步的(de)研究可(ke)以🧑🏽‍🤝‍🧑🏻通過(guo)對不同(tong)形狀的(de)旋渦發(fa)生體取(qu)不同截(jie)流夾角(jiao)和不同(tong)流速進(jin)✊行仿真(zhen)對比研(yan)究。

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