蒸汽(qi)作爲一(yi)種重要(yao)的二次(ci)清潔能(neng)源，在電(dian)廠、石油(you)化工、食(shi)品、機械(xie)加工等(deng)工業生(sheng)産領域(yu)和人民(min)的日常(chang)生活中(zhong)占據📧了(le)越來越(yue)重要的(de)地位。爲(wei)了提高(gao)蒸汽的(de)計量水(shui)平，标準(zhun)孔闆、噴(pen)嘴以及(ji)渦街流(liu)量計等(deng)多種類(lei)型的蒸(zheng)汽儀表(biao)，而在衆(zhong)多類型(xing)蒸汽儀(yi)表中，渦(wo)街流量(liang)計以其(qi)結構簡(jian)單、測量(liang)範圍寬(kuan)、壓損小(xiao)、測量時(shi)無✉️可動(dong)件等優(you)點在蒸(zheng)汽計量(liang)中得到(dao)快速的(de)推廣㊙️和(he)使用。
1 渦(wo)街流量(liang)計
　　渦街(jie)流量計(ji) ( 又稱旋(xuan)渦流量(liang)計) 是根(gen)據 “卡門(men)渦街”原(yuan)理研制(zhi)成💰的流(liu)體振蕩(dang)式流量(liang)測量儀(yi)表。所謂(wei) “卡門💛渦(wo)街”現象(xiang)就是在(zai)測量管(guan)道流動(dong)的流體(ti)中插入(ru)一👌根 ( 或(huo)多根) 迎(ying)流面爲(wei)非流線(xian)型的旋(xuan)渦發生(sheng)體，當雷(lei)諾數達(da)到一定(ding)值時，從(cong)旋渦發(fa)🌐生體下(xia)遊兩側(ce)交替地(di)分離釋(shi)放出兩(liang)串規則(ze)的交錯(cuo)排列的(de)旋渦，這(zhe)種旋渦(wo)稱爲卡(ka)門渦街(jie)。在一定(ding)雷諾數(shu)範圍内(nei)，旋渦的(de)分離頻(pin)率與旋(xuan)渦♌發生(sheng)體的幾(ji)何尺寸(cun)、管道的(de)幾何🔴尺(chi)寸有關(guan)，旋渦的(de)頻💚率正(zheng)比于管(guan)道流體(ti)流量，并(bing)可由各(ge)種型㊙️式(shi)的傳感(gan)器檢出(chu)，渦街流(liu)量計工(gong)作原理(li)如圖 1 所(suo)示。

卡(ka)門渦街(jie)頻率計(ji)算公式(shi)爲:

　　式中(zhong): f 爲旋渦(wo)頻率; Sr爲(wei)斯特勞(lao)哈爾數(shu); m 爲旋渦(wo)發生體(ti)兩側弓(gong)形🛀面積(ji)與管道(dao)橫截面(mian)面積之(zhi)比，不可(ke)壓縮流(liu)體😘中，由(you)于流體(ti)密度 ρ 不(bu)變，由連(lian)續性方(fang)程可得(de)到 m = U/U1。

　　不同(tong)介質對(dui)渦街流(liu)量計性(xing)能的影(ying)響最終(zhong)體現在(zai)儀😘表🔆系(xi)數的差(cha)異上，所(suo)以本文(wen)使用 Fluent 軟(ruan)件建立(li)渦街流(liu)量計的(de)幾何模(mo)型🥵，然後(hou)對不同(tong)介質下(xia)的流場(chang)進🔅行仿(pang)真分析(xi)，并仿真(zhen)得到不(bu)同介質(zhi)下的儀(yi)表系數(shu)，最終通(tong)過實驗(yan)驗證得(de)到空氣(qi)和水作(zuo)爲📱替代(dai)介質導(dao)緻的與(yu)蒸汽實(shi)流标定(ding)得到的(de)儀表系(xi)的差異(yi)。
2 仿真模(mo)型與條(tiao)件的設(she)定
2. 1 仿真(zhen)模型
　　選(xuan)擇 DN100 口徑(jing)的渦街(jie)流量計(ji)進行研(yan)究，利用(yong) Gambit 軟件建(jian)立渦街(jie)流量計(ji)幾何模(mo)型并劃(hua)分網格(ge)，渦街流(liu)量計發(fa)生體⛷️橫(heng)截面網(wang)格如圖(tu) 2 所示。

　　爲了(le)提高計(ji)算效率(lü)，渦街發(fa)生體處(chu)重點加(jia)密，其他(ta)🙇🏻區域适(shi)當的🚶稀(xi)疏。從圖(tu) 2 可以看(kan)出，渦街(jie)發生體(ti)所處流(liu)場網格(ge)均勻加(jia)密。通過(guo)加密畫(hua)法，靠近(jin)渦街發(fa)生體的(de)橫截面(mian)網格較(jiao)密，遠離(li)渦♋街發(fa)生🌈體而(er)靠近管(guan)壁的網(wang)格💯較稀(xi)疏。
2. 2 仿真(zhen)條件設(she)定
　　仿真(zhen)選擇三(san)種流體(ti)材質，分(fen)别爲空(kong)氣和蒸(zheng)汽兩種(zhong)可壓縮(suo)流📧體以(yi)及不可(ke)壓縮的(de)水，在 Fluent 中(zhong)空氣和(he)蒸汽材(cai)質🌈通過(guo)設定✍️氣(qi)體的密(mi)度選項(xiang)來實現(xian)。對于不(bu)可壓縮(suo)流💰體選(xuan)擇的密(mi)度爲常(chang)數; 空氣(qi)介質選(xuan)擇默認(ren)密度 1. 225 kg/m3，其(qi)密度設(she)定爲✨理(li)想氣體(ti)，在叠代(dai)計算的(de)過程中(zhong)，根據氣(qi)體狀态(tai)方程壓(ya)強的變(bian)化修正(zheng)流體的(de)密度; 蒸(zheng)汽介質(zhi)🥰的📐密度(du)根據IF － 97 公(gong)式，利用(yong) UDF 編程設(she)置。
仿真(zhen)模型選(xuan)擇 ＲNG k － ε 雙方(fang)程湍流(liu)模型，該(gai)模型可(ke)以很好(hao)地處理(li)高應變(bian)率以及(ji)流線彎(wan)曲程度(du)較大的(de)流體流(liu)動，非常(chang)适合具(ju)有旋渦(wo)脫落現(xian)象的渦(wo)街流場(chang)仿✨真［8］。
3 流(liu)場仿真(zhen)分析
　　根(gen)據公式(shi) ( 1) 可知，影(ying)響渦街(jie)流量計(ji)旋渦頻(pin)率的是(shi)發生體(ti)兩側的(de)流速 U1和(he)發生體(ti)的結構(gou)，由于發(fa)生體結(jie)構尺寸(cun)是固定(ding)的，因此(ci)頻率隻(zhi)與 U1相關(guan)，需要觀(guan)測在相(xiang)同入口(kou)流速 U 的(de)條件下(xia) U1變化來(lai)得到頻(pin)率的變(bian)化✌️，而速(su)度的變(bian)化必然(ran)會導緻(zhi)流體密(mi)度的變(bian)化，因此(ci)可觀測(ce)發生體(ti)兩側的(de)密度雲(yun)圖，來判(pan)斷可壓(ya)縮性🧡對(dui)渦街流(liu)量計流(liu)速 U1的影(ying)響，通過(guo)仿真得(de)到如圖(tu) 3 ( a) 所示的(de)不可壓(ya)縮流體(ti)發生🧑🏽‍🤝‍🧑🏻體(ti)兩側的(de)密度雲(yun)圖和如(ru)圖 3 ( b) 所示(shi)的可壓(ya)縮流體(ti)發生體(ti)兩側的(de)密度雲(yun)圖。

　　由圖(tu) 3 可以看(kan)出，不可(ke)壓縮流(liu)體的密(mi)度在仿(pang)真過程(cheng)中沒有(you)發生變(bian)化，可壓(ya)縮流體(ti)的密度(du)發生了(le)變化，必(bi)然🙇‍♀️會導(dao)緻兩側(ce)速度 U1的(de)㊙️變化。可(ke)壓縮流(liu)體經過(guo)發生體(ti)後密度(du)變小會(hui)導緻 U1變(bian)大。
　　根據(ju)圖 3 得到(dao)的結論(lun)，對渦街(jie)流量計(ji)進行蒸(zheng)汽、空氣(qi)🏃‍♀️和水三(san)🤩種介質(zhi)下的軟(ruan)件仿真(zhen)，設置三(san)種介質(zhi)的入🥰口(kou)流速均(jun)爲 50 m/s，取渦(wo)街發生(sheng)體迎流(liu)面側棱(leng)中點與(yu)管壁連(lian)線，如圖(tu) 2 中線段(duan) ab所示。取(qu)該線上(shang)的速度(du)值，将蒸(zheng)💛汽、空氣(qi)和❗水三(san)種介質(zhi)下的速(su)🏃‍♂️度曲線(xian)進‼️行比(bi)較，結果(guo)如圖 4所(suo)示。

　　從圖(tu) 4 中可以(yi)看出，在(zai)靠近渦(wo)街發生(sheng)體的位(wei)置，可壓(ya)縮流體(ti)流速明(ming)顯大于(yu)不可壓(ya)縮流體(ti)流速，且(qie)空氣的(de)流速要(yao)🔅大于😘蒸(zheng)汽介質(zhi)的流速(su)。因此空(kong)氣介質(zhi)受氣體(ti)可壓縮(suo)性的影(ying)響較大(da)。
　　渦街流(liu)量計的(de)計量性(xing)能最終(zhong)反映到(dao)儀表系(xi)數上，渦(wo)街流量(liang)🈲計兩側(ce)的旋渦(wo)頻率決(jue)定了儀(yi)表系數(shu)的大小(xiao)，圖 5 爲仿(pang)真得到(dao)的渦街(jie)流量計(ji)渦流流(liu)場靜壓(ya)雲圖。從(cong)🚩圖中可(ke)以看出(chu)兩個明(ming)顯的脫(tuo)落旋渦(wo)。圖中 A 區(qu)域靜壓(ya)大，B 區域(yu)靜壓小(xiao)。靜壓最(zui)小的位(wei)置是 C 處(chu)，也就是(shi)脫落旋(xuan)☔渦的渦(wo)心位置(zhi)。檢測渦(wo)街發生(sheng)體下遊(you)🐆 1D 處的靜(jing)壓變化(hua)得到如(ru)圖 6 所示(shi)的靜壓(ya)變化圖(tu)。

　　對圖(tu) 6 中靜壓(ya)數值進(jin)行快速(su)傅立葉(ye)變換，得(de)到如圖(tu) 7 所示的(de)三🏃🏻‍♂️種介(jie)質下的(de)旋渦脫(tuo)落頻率(lü)圖。
通過(guo)讀取圖(tu) 7 三種介(jie)質旋渦(wo)脫落頻(pin)率圖最(zui)高

點的頻(pin)率，可以(yi)得到空(kong)氣介質(zhi)的旋渦(wo)脫落頻(pin)率爲1 595 Hz，蒸(zheng)汽介質(zhi)的旋渦(wo)脫落頻(pin)率爲 1 579 Hz，水(shui)介質的(de)旋渦脫(tuo)落頻率(lü)💋爲1 559 Hz。代🔞入(ru)公式 ( 1)可(ke)以發現(xian)，渦街流(liu)量計在(zai)相同管(guan)道直徑(jing)相同入(ru)口速度(du)的情況(kuang)下在水(shui)介質中(zhong)得到的(de)儀表系(xi)數最小(xiao)、蒸汽次(ci)之、空氣(qi)最大。說(shuo)明空氣(qi)受🍓氣體(ti)介質的(de)可壓縮(suo)性影響(xiang)大，在發(fa)生體兩(liang)側的密(mi)度變化(hua)率較蒸(zheng)汽要大(da)。
4 實驗驗(yan)證
　　爲驗(yan)證仿真(zhen)分析得(de)到的結(jie)論，利用(yong)負壓法(fa)音速噴(pen)嘴氣體(ti)流♌量計(ji)量标準(zhun)裝置、蒸(zheng)汽實流(liu)計量标(biao)準裝置(zhi)和水流(liu)量計量(liang)标準裝(zhuang)㊙️置對該(gai)結構類(lei)型的渦(wo)街流量(liang)計進行(hang)三種介(jie)質⭐的實(shi)驗研究(jiu)，各測試(shi)條件參(can)數如表(biao) 1 所示。

在(zai)上述實(shi)驗條件(jian)下得到(dao)三種标(biao)準計量(liang)裝置的(de)儀表系(xi)數🥰，實驗(yan)結果如(ru)圖 8 所示(shi)。

　　由(you)圖 8 可看(kan)出，在實(shi)驗過程(cheng)中，空氣(qi)與水的(de)儀表系(xi)數與仿(pang)真分🚩析(xi)基本相(xiang)符，但蒸(zheng)汽介質(zhi)的儀表(biao)系數要(yao)小，這主(zhu)要是因(yin)爲蒸汽(qi)介質的(de)高溫使(shi)發生體(ti)的幾何(he)尺寸發(fa)生變化(hua)導緻的(de)儀表系(xi)數的改(gai)變。
根據(ju)經驗公(gong)式 ( 4) :

　　由公(gong)式 ( 4) 可以(yi)知道随(sui)着溫度(du)的升高(gao)，儀表系(xi)數會減(jian)小💛，因此(ci)🐉就出現(xian)了圖 8 所(suo)示實驗(yan)數據與(yu)圖 7 仿真(zhen)頻率計(ji)算出的(de)🔞儀表系(xi)數的微(wei)🈲小差異(yi)。
5 結論
　　利(li)用 Fluent 軟件(jian)實現了(le)渦街流(liu)量計在(zai)不同介(jie)質下的(de)流場仿(pang)真，根據(ju)🐕卡門渦(wo)街的産(chan)生機理(li)，對比分(fen)析了空(kong)氣、蒸汽(qi)和水三(san)種不同(tong)介質條(tiao)件下的(de)流場，仿(pang)真結果(guo)表明随(sui)着可壓(ya)縮性的(de)增強，渦(wo)街流量(liang)計的儀(yi)表系數(shu)随之變(bian)大，因此(ci)💛在渦街(jie)流量計(ji)的首次(ci)或者後(hou)續檢定(ding)中盡量(liang)采用與(yu)工況相(xiang)同的介(jie)質進行(hang)标定。

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