摘要:爲了(le)研究渦街(jie)流量計 内(nei)部流場結(jie)構,通過GAMBI軟(ruan)件的非結(jie)構化網格(ge)技術和FLUENT軟(ruan)件的RNGke模🏒型(xing)對渦街流(liu)量計的流(liu)場進行了(le)三維數值(zhi)模拟,描繪(hui)了渦街産(chan)生和脫落(luo)過程,着重(zhong)分析了壁(bi)面壓力分(fen)布随渦街(jie)脫落的演(yan)變情況。結(jie)果表明:渦(wo)街流場中(zhong)靠近旋渦(wo)發生體💜的(de)壁面靜壓(ya)有較明顯(xian)的波動,在(zai)👉距離旋渦(wo)發生體一(yi)定範圍内(nei),越靠近旋(xuan)渦發生體(ti),靜壓幅度(du)越大;而💯在(zai)對稱于管(guan)道軸線的(de)位置,壁面(mian)靜壓幅度(du)相等,相位(wei)相⁉️反。該研(yan)究爲優🚶‍♀️化(hua)💘渦街流量(liang)計的結⛱️構(gou)設計和測(ce)量性能提(ti)供了有益(yi)的參考。
0引(yin)言
　　渦街流(liu)量計是近(jin)年發展勢(shi)頭良好.優(you)點突出的(de)一類新型(xing)流❤️量測量(liang)裝置。它利(li)用在特定(ding)的流動條(tiao)件💜下流體(ti)部分動能(neng)産💋生流體(ti)振動,且振(zhen)動頻率與(yu)流量成正(zheng)比這一特(te)征關系來(lai)進行工作(zuo)。隻要采用(yong)合适的檢(jian)測方法從(cong)與渦街脫(tuo)落相伴的(de)周💜期振動(dong)的流速、壓(ya)力中提取(qu)出頻率,那(na)麽,就可以(yi)得到管道(dao)内☀️被測流(liu)體的🐅流量(liang)值川。渦街(jie)流量計的(de)性能在很(hen)大程度上(shang)受到渦街(jie)流場結構(gou)及其内部(bu)參數的時(shi)空分⛱️布的(de)影響。因此(ci),研究渦街(jie)流量計内(nei)部流動特(te)性對優化(hua)其測量性(xing)能具有十(shi)分重要的(de)意義。
　　由于(yu)旋渦發生(sheng)體的阻流(liu)作用,渦街(jie)在管道内(nei)的流動是(shi)強烈的非(fei)線性時變(bian)湍流,難以(yi)解析地求(qiu)得流場分(fen)🚶‍♀️布情況,所(suo)以,至今人(ren)們對旋渦(wo)發生體後(hou)旋渦形成(cheng)和😘脫落過(guo)🔞程的認識(shi)幾乎全部(bu)依賴于經(jing)驗和實驗(yan)。随着計算(suan)機技術的(de)飛速發展(zhan),建立在經(jing)典流體力(li)學與數值(zhi)方法基礎(chu)上的計算(suan)流體動力(li)學爲人們(men)研究複🐉雜(za)流動問題(ti)提供了一(yi)種有效的(de)解決方法(fa),通過🔴計算(suan)機數值計(ji)算方法和(he)圖像顯示(shi)技術,可以(yi)得到在時(shi)間和空間(jian).上定量描(miao)述流場的(de)數值解。
　　目(mu)前,人們對(dui)渦街流場(chang)的數值模(mo)拟逐漸從(cong)二維過渡(du)到和渦方(fang)法等。國内(nei)外研究人(ren)員采用了(le)各種數值(zhi)算法對🙇‍♀️不(bu)同🔅形狀旋(xuan)渦發生體(ti)在不同雷(lei)諾數下進(jin)行了模拟(ni)計算。總體(ti).上說來,在(zai)雷諾數較(jiao)小時,數值(zhi)模拟的結(jie)果與實際(ji)情況符合(he)較好,但是(shi),在雷諾數(shu)較大時,各(ge)種因素對(dui)渦街的影(ying)響十分複(fu)雜,數值模(mo)拟的結果(guo)還🌈不盡如(ru)人意,許多(duo)問題還待(dai)于進一步(bu)深入研究(jiu)。
　　本文利用(yong)先進的計(ji)算流體力(li)學軟件FUENT及(ji)其前處理(li)軟件GAMBII對渦(wo)街流量計(ji)内壁面壓(ya)力分布進(jin)行了數值(zhi)模拟,目的(de)在于獲得(de)關于渦街(jie)流量計内(nei)部流場的(de)定性或半(ban)定量🌈的認(ren)識,爲優化(hua)渦街流量(liang)計的結構(gou)設計和測(ce)量性能提(ti)供有益的(de)參考。
1計算(suan)域和網格(ge)
　　在模拟過(guo)程中,渦街(jie)流量計的(de)計算域簡(jian)化爲具有(you)✏️圓形進🌈出(chu)口邊界的(de)軸對稱三(san)維幾何模(mo)型,坐标原(yuan)點設☔在旋(xuan)渦發生體(ti)迎流面的(de)中心,如圖(tu)1所示。管道(dao)✉️内徑爲50mm,旋(xuan)渦發生體(ti)爲梯形柱(zhu)體,迎流🚶‍♀️面(mian)寬度爲14mm.圖(tu)☔1給出了:=0截(jie)💔面(=軸方向(xiang)🔴垂直紙面(mian)向外)管道(dao)和旋渦發(fa)🐉生體的二(er)維計算域(yu)及其網格(ge)的示意圖(tu)。爲了真實(shi)地模拟實(shi)際🌍流動狀(zhuang)況，利用GAMBI軟(ruan)件生成了(le)非結‼️構化(hua)的三角網(wang)✔️格。由于旋(xuan)渦發生體(ti)附近流場(chang)變化劇烈(lie),因此,對其(qi)周圍的網(wang)🈚格進行了(le)局部加密(mi)🆚處理。不同(tong)流速的流(liu)動情況通(tong)過☀️改變入(ru)口速度來(lai)模拟。各求(qiu)解變量收(shou)斂殘差值(zhi)設置爲1x105。入(ru)口邊界設(she)置爲沿管(guan)道軸向均(jun)勻速度入(ru)口,其👈他方(fang)向速度均(jun)爲0。出口邊(bian)界設🐪置爲(wei)壓力出口(kou),壓力出口(kou)處的表壓(ya)爲0。管道和(he)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼旋渦發生(sheng)🤞體均設置(zhi)爲固體,并(bing)且,壁面處(chu)無滑移。
 
2控(kong)制方程和(he)計算參數(shu)
　　與其他流(liu)動過程相(xiang)同,渦街流(liu)動的數學(xue)模型也是(shi)建❓立☎️在質(zhi)量守恒定(ding)律.上的連(lian)續方程、動(dong)量守恒定(ding)🏒律上的運(yun)動方程和(he)😍熱力學第(di)一定律.上(shang)的本構方(fang)程基礎上(shang)的。綜合考(kao)慮仿真精(jing)度和計🏃‍♂️算(suan)成本,采用(yong)RNGke兩方程模(mo)型。
　　雷諾平(ping)均NavierSlokes方程組(zu)爲
 
　　式中μ爲(wei)流體動力(li)粘度;μt爲流(liu)體湍動粘(zhan)度;δtf爲Koneck符号(hao);k爲湍流脈(mo)動動能。
 
　　式(shi)中Gk爲湍流(liu)動能生成(cheng)項;Gb爲湍流(liu)動能擴散(san)項;ε爲流體(ti)脈動動能(neng)的耗散率(lü);YAT爲湍流動(dong)能耗散項(xiang);αk,αs。分别爲kε的(de)逆有效普(pu)朗㊙️特數;Sk,S爲(wei)自🌍定義源(yuan)項。
有效粘(zhan)度公式爲(wei)
 
3結果分析(xi)
　　圖2給出了(le)介質爲水(shui)、入口速度(du)爲15m.s1時的渦(wo)街流場中(zhong)🍉靜壓和動(dong)壓的分布(bu)情況。其他(ta)介質和入(ru)口速度時(shi)的計算結(jie)⭐果相似。可(ke)以看⭐出:旋(xuan)渦從渦街(jie)發生體兩(liang)側交替脫(tuo)離形成渦(wo)街,分離點(dian)在梯形柱(zhu)的銳邊上(shang)🤞。流體流過(guo)旋渦發生(sheng)🚶‍♀️體後,旋渦(wo)在向下遊(you)運動的同(tong)時,旋渦強(qiang)度🈲也逐漸(jian)由強變弱(ruo)。相應的,靜(jing)壓和動壓(ya)也都是在(zai)旋渦發生(sheng)體附近較(jiao)強,在向下(xia)遊運動的(de)過程中強(qiang)度也逐漸(jian)減弱。顯然(ran),旋渦的周(zhou)期性變化(hua)使流場内(nei)各種參數(shu)都随之發(fa)生交替🤞的(de)波動,因此(ci)，通過檢測(ce)渦街尾流(liu)中周期變(bian)化的某一(yi)參數可以(yi)🔴獲取渦街(jie)流動特征(zheng)。由于🔱動壓(ya)的檢測比(bi)較困難,需(xu)💃🏻要将測量(liang)件伸入管(guan)道内,因此(ci),不适宜作(zuo)爲反映渦(wo)街特性的(de)被測特征(zheng)參數。而管(guan)💃壁☀️處靜壓(ya)的測量相(xiang)對來說要(yao)💃🏻簡單容易(yi)得多,取壓(ya)裝置垂直(zhi)于流動方(fang)向且位于(yu)管壁上,同(tong)時其值隻(zhi)需采用普(pu)通的動态(tai)壓力傳感(gan)器即可測(ce)得。
 
　　爲了定(ding)量比較渦(wo)街流場空(kong)間中不同(tong)位置處靜(jing)壓🙇🏻的大小(xiao),圖3給出了(le)靜壓在計(ji)算域中平(ping)行流向的(de):=0,y=245mm和☀️垂直🚩流(liu)向的:=0,x=25mm兩條(tiao)直線上的(de)計算結果(guo)。可以看到(dao),渦街流場(chang)中靠近旋(xuan)渦發生體(ti)管壁處的(de)靜壓有較(jiao)明顯的波(bo)動,，沿流動(dong)方向靜壓(ya)在0~50mm區間内(nei)波🐇動明顯(xian)、幅㊙️度最大(da),即在♈距離(li)旋渦發生(sheng)體一定範(fan)圍内,越靠(kao)近🛀旋渦發(fa)生體,靜壓(ya)幅度越大(da);而在垂直(zhi)流動方向(xiang)上管道内(nei)壁處的靜(jing)壓也具有(you)較大的幅(fu)度。圖4給出(chu)了㊙️計算域(yu)中:=0平面上(shang)一對軸對(dui)稱管壁處(chu)監測點P1(10,245,0)和(he)Pi(10,24.5,0)靜壓的計(ji)算值。從圖(tu)中可以看(kan)出:管壁處(chu)軸對稱的(de)2點靜壓波(bo)動的幅度(du)和頻率相(xiang)等而相位(wei)相反,因此(ci)，若在靠近(jin)旋渦發生(sheng)體的軸對(dui)稱管壁上(shang)設置兩個(ge)取😄壓點測(ce)量差壓,則(ze)可構成差(cha)動結📱構,獲(huo)得的信号(hao)更強便于(yu)檢測,通過(guo)測得的靜(jing)壓差可以(yi)檢測管内(nei)渦街流動(dong)特性。
 
4結束(shu)語
1)流體流(liu)過旋渦發(fa)生體後,旋(xuan)渦在向下(xia)遊運動的(de)同時，旋渦(wo)強度逐漸(jian)由強變弱(ruo),旋渦的周(zhou)期性變化(hua)使流場👅内(nei)靜壓和動(dong)壓🔞等各✨種(zhong)參數都随(sui)之發生交(jiao)替的波動(dong);
2)渦街流量(liang)計中靠近(jin)旋渦發生(sheng)體的壁面(mian)靜壓有較(jiao)明❓顯的✍️波(bo)🚶動,在距離(li)旋渦發生(sheng)體.定範圍(wei)内,越靠近(jin)旋渦發生(sheng)體,壁面靜(jing)壓幅度越(yue)大,而在對(dui)稱于管道(dao)軸線的😄位(wei)置,壁面靜(jing)壓幅度相(xiang)等而相位(wei)相反。.
　　總之(zhi),渦街流量(liang)計内壁面(mian)壓力可以(yi)較好地表(biao)征渦街脫(tuo)落的過程(cheng),通過采用(yong)合适的檢(jian)測和信号(hao)處理⛹🏻‍♀️方法(fa)🏃‍♀️可以使人(ren).們從多個(ge)角度來提(ti)取渦街特(te)性。并且,關(guan)于渦街流(liu)量計内😄部(bu)流場的定(ding)性或半定(ding)量的認識(shi)将有助于(yu)優化渦街(jie)流量計的(de)結構設計(ji)及其測量(liang)性能。

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