摘要：目(mù)前對于(yú)渦街流(liú)量計 漩(xuán)渦發生(shēng)體的位(wei)置研究(jiu)僅局限(xiàn)于二維(wéi)的仿真(zhen)研究，但(dan)👄實際㊙️流(liu)體撞擊(ji)漩渦發(fā)生體是(shì)流體三(sān)維模型(xing)🐉。鑒于二(èr)維仿真(zhen)🚶并不能(neng)完全對(dui)實際流(liu)體撞擊(jī)漩渦發(fa)生體的(de)流場進(jìn)行驗證(zhèng)，采用數(shu)值仿真(zhēn)軟件平(píng)Ansys+Workbench+FLUENT，根據實(shi)際渦街(jiē)發生體(ti)🏒的機械(xie)尺寸建(jian)立相應(yīng)的三維(wei)仿真模(mó)型。并對(duì)仿真模(mó)型進行(hang)網格細(xì)分，再通(tong)過N—s方程(chéng)進行求(qiú)解🏃計算(suàn)，通過仿(pang)真與在(zài)線實驗(yan)對比驗(yàn)證🐆表明(míng)通過🔱FIUENT軟(ruǎn)件對實(shi)際渦街(jiē)流場進(jìn)行仿真(zhen)的可行(háng)☁️性。最終(zhōng)利用FLUENT軟(ruan)件，對不(bú)同流速(sù)，通過調(diao)整發生(sheng)體平移(yí)的位置(zhì)最終确(que)定發生(sheng)體位置(zhi)對渦街(jiē)信号⛱️的(de)影響，從(cóng)而确定(dìng)發生👣體(ti)允許最(zui)大的平(píng)移位置(zhì)占。
1引言(yán)
　　随着渦(wo)街流量(liàng)計在國(guo)内各行(háng)各業的(de)使用量(liàng)逐漸🚶增(zēng)大，各高(gao)❗校🌍、研究(jiu)所和流(liu)量計生(sheng)産廠商(shāng)的學者(zhě)和研究(jiu)🏃‍♀️人員也(ye)對此展(zhan)開了各(gè)方面的(de)研究，渦(wo)街流場(chang)的數值(zhí)仿真的(de)🔅研究和(he)實現也(ye)是其中(zhōng)一個重(zhòng)點]。
　　基于(yú)渦街流(liu)量計的(de)測量原(yuan)理渦街(jiē)發生體(ti)的設計(ji)要求就(jiu)尤♻️爲⚽重(zhòng)要，而在(zai)實際設(shè)計生産(chan)當中不(bú)能保證(zhèng)發生體(tǐ)❌的中心(xīn)位置在(zai)管道的(de)中軸線(xian)上，發生(sheng)體與管(guan)道中軸(zhóu)線偏離(li)多少會(hui)對最終(zhōng)的測量(liàng)産生影(ying)響需要(yào)重複更(gèng)換發生(sheng)體，操作(zuò)起來費(fei)時費力(lì)。鑒于以(yǐ)上原因(yīn)對進行(háng)對渦街(jiē)💃發生體(tǐ)移動位(wèi)置進行(hang)仿🐉真研(yan)究，通過(guò)仿真結(jie)果來指(zhǐ)導🏒物理(lǐ)實驗，并(bìng)根據物(wù)理實驗(yàn)結果進(jìn)一步完(wan)善傳感(gǎn)器結構(gou)。
2渦街流(liú)量計原(yuán)理
　　渦街(jie)流量計(jì)利用流(liu)體振動(dong)原理進(jin)行流量(liang)測量，在(zài)特定的(de)流動條(tiao)件下,流(liú)體-部分(fen)動能轉(zhuǎn)化爲振(zhèn)動,其振(zhen)動頻率(lǜ)♋與流速(su)(流量)有(yǒu)🔴确定的(de)比例關(guan)系。1878年斯(sī)特勞哈(ha)爾(Strouhal)發表(biao)了關于(yu)流體振(zhen)動頻率(lü)與流速(su)關系的(de)文章的(de)。渦街流(liú)量計的(de)基本原(yuan)理是:在(zài)與被測(cè)介質流(liú)向垂直(zhí)的方向(xiàng)放置--個(gè)非流線(xiàn)型旋渦(wō)發生體(ti)，當流體(tǐ)流過該(gāi)❄️旋渦發(fā)生體時(shi)，在發生(sheng)體後方(fang)兩側交(jiāo)替地分(fen)離👈釋放(fàng)出兩列(liè)規🤩則的(de)交錯排(pai)列的旋(xuán)渦，稱爲(wèi)馮.卡爾(er)曼渦街(jie)們，如圖(tú)1所示。當(dāng)旋渦發(fā)生體右(yòu)(或左)下(xia)方産生(sheng)一個旋(xuán)渦後，在(zai)旋渦發(fa)生體上(shàng)産生一(yi)個升力(lì)。在旋渦(wō)發生體(ti)的後方(fang)安裝應(ying)力式壓(ya)電傳🔴感(gan)器，可以(yǐ)将作用(yòng)在旋渦(wō)發生體(tǐ)上的升(sheng)力轉換(huàn)爲電荷(hé)信号。該(gai)電荷信(xin)号的變(biàn)化頻率(lǜ)與旋渦(wō)的脫離(li)頻率一(yi).緻。通過(guò)檢測電(diàn)荷信号(hao)的變化(huà)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻頻率，就(jiù)可以得(dé)到旋渦(wō)的分離(lí)頻率口(kǒu)。

3渦街流(liú)場模型(xíng)分析
　　雷(lei)諾時均(jun)方程的(de)方法求(qiu)解出來(lái)的是流(liu)動變量(liàng)的針對(duì)時🏒間的(de)平均值(zhí).無法給(gěi)出流場(chǎng)結構的(de)詳細信(xin)息，體現(xiàn)不出湍(tuan)流流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼動(dong)的瞬時(shi)性特點(dian)。大渦模(mó)拟(LargeEddySimulation,LES)是近(jìn)代湍🌈流(liú)研究中(zhōng),用計算(suan)機直接(jie)求解🈲N-S方(fāng)程的一(yi)種方法(fǎ),它從空(kōng)間的角(jiǎo)🔴度對大(da)渦進行(háng)直接模(mó)拟，對小(xiǎo)✔️渦進行(háng)模型化(hua)處理，從(cong)而🐕使得(de)網格要(yào)求比DNS低(di)。其基🙇‍♀️本(ben)思想是(shi);将🚩流💃🏻動(dòng)的區域(yù)分爲兩(liang)個部分(fen):一部分(fen)是可通(tōng)過求解(jiě)定常三(san)維N-S方🔆程(cheng)獲得的(de)大尺度(dù)渦旋流(liu)動部分(fèn)，另一部(bù)分是不(bu)需要直(zhi)接計算(suan)可采用(yong)通用模(mó)型獲得(dé)的小尺(chi)度部♋分(fèn)。
　　LES的控制(zhì)方程是(shi)對N-S方程(cheng)在波數(shu)空間或(huò)物理空(kōng)間進行(háng)⛹🏻‍♀️過濾得(de)到的。過(guo)濾的過(guo)程是去(qù)掉比過(guo)濾寬度(dù)或❓者給(gei)定物理(li)寬度小(xiǎo)的旋渦(wo)，從而得(dé)到大旋(xuán)渦的控(kòng)制方程(cheng)。對于均(jun)勻湍流(liu)⭕,常用卷(juan)積濾波(bō)定義變(bian)量的💘大(dà)尺度成(chéng)分:


　　爲了(le)直觀得(dé)到渦街(jie)信号真(zhēn)實的流(liu)動曲線(xiàn)及流場(chǎng)分布,本(běn)課💰題采(cai)用LES湍流(liu)模型來(lái)模拟渦(wō)街流場(chang)。在CFD-Post中.選(xuan)用二階(jiē)迎風差(chà)分格式(shi)及SIMPLE算法(fǎ)”進行仿(páng)真。如圖(tu)2爲流體(ti)流經三(san)角柱發(fa)生體時(shí)的流線(xian)圖🌐，可以(yǐ)從圖中(zhong)清晰地(dì)看到旋(xuán)渦的産(chan)生、脫落(luò),以及渦(wo)街流量(liàng)計的工(gong)作流場(chang)。

4三(sān)維渦街(jie)流場仿(pang)真
　　通過(guò)FLUENT軟件對(dui)實際管(guǎn)道中的(de)流場進(jìn)行仿真(zhen),其中在(zai)使用FLUENT設(she)置相關(guan)參數時(shi)是根據(ju)實際管(guǎn)道中發(fa)生體的(de)尺寸進(jin)行配置(zhì),圖3爲實(shí)際管道(dao)中發生(sheng)體在管(guan)道中平(ping)移後的(de)三視圖(tu)。

　　發生體(ti)中心線(xian)平行于(yu)基準軸(zhóu)線。這種(zhong)情況下(xia)，會産生(shēng)位置📧偏(pian)👣差，平移(yi)距離記(jì)作δ。如圖(tú)4所示。

　　在(zai)Geometry中建立(li)發生體(tǐ)中心線(xian)平行于(yú)基準軸(zhóu)線的三(sān)維幾何(hé)模型。如(rú)圖5所示(shi)。


　　可以從(cong)圖7中看(kàn)出即使(shi)發生體(ti)位置與(yǔ)理想位(wei)置存在(zai)偏差💋，仍(reng)✂️然♌會出(chū)現旋渦(wo)脫落現(xiàn)象。并且(qie)當發生(sheng)體上側(ce)✉️的旋渦(wō)從産生(sheng)到脫落(luò)時.發生(shēng)體下側(cè)在爲旋(xuán)渦的産(chan)生做準(zhun)備，而不(bú)會産生(shēng)旋渦。同(tóng)時當上(shàng)側旋渦(wō)離開發(fā)💚生體一(yī)段距離(li)以後，下(xia)側才開(kai)始出現(xiàn)旋渦。
　　發(fā)生體在(zai)理想位(wei)置時産(chan)生的旋(xuan)渦是交(jiao)替排列(liè)的，而發(fa)🐅生體在(zai)中心線(xiàn)發生平(ping)移的情(qíng)況下，會(hui)根據δ的(de)不同使(shǐ)得旋渦(wo)脫落後(hòu)朝中心(xīn)線相對(dui)基準軸(zhóu)線平移(yí)的方向(xiàng)碰撞到(dào)管壁。針(zhen)對此現(xian)象對低(dī)速(4m/s)、中速(su)(40m/s)和高速(su)(70m/s)流速🔞下(xia)進行仿(pang)真研究(jiu)，并将數(shù)據記錄(lù)到表1中(zhong)。

　　爲了更(geng)爲直觀(guan)地反映(yìng)出圖8中(zhong)不同流(liú)速下的(de)旋渦信(xin)🌈号強度(du)🏃🏻‍♂️随💜平移(yí)位置的(de)變化規(gui)律,現将(jiang)表1中的(de)旋渦信(xìn)号強度(dù)用💯表2的(de)偏移程(chéng)度來表(biǎo)示。

　　将表(biǎo)2中的數(shu)據繪制(zhi)成圖8。從(cóng)圖中可(ke)以看出(chu)信号強(qiáng)度随着(zhe)偏移距(ju)離，流速(sù)的不同(tong)而不同(tóng)。并且得(de)出以✌️下(xià)結論:無(wú)❗論是低(di)速(4m/s).中速(sù)(40m/s)、還是高(gao)速(70m/s)流速(su)下,随着(zhe)平移距(ju)離的增(zeng)加‼️，信号(hào)強度減(jian)弱,偏移(yí)程度增(zēng)加。平移(yi)距離越(yuè)小，偏移(yi)程度🏃越(yue)小,随着(zhe)♻️平移距(jù)離的增(zēng)加，平☔移(yí)距離與(yu)偏移程(cheng)度近似(si)于平方(fang)關系。
　　通(tōng)過觀察(cha)低速(4m/s)、中(zhōng)速(40m/s)和高(gāo)速(70m/s)流速(su)下渦街(jie)流場中(zhōng)旋渦的(de)産生-脫(tuō)落圖，可(ke)以發現(xian)，當平移(yi)距離較(jiao)小時，會(huì)在發生(shēng)體尾部(bù)生成兩(liǎng)列規則(zé)排列的(de)旋渦。繼(jì)續增加(jia)偏移距(ju)離，會出(chu)現旋渦(wo)發生體(tǐ)尾部産(chan)生交替(ti)排列的(de)旋渦向(xiàng)發生體(ti)尾部産(chǎn)生的旋(xuán)渦碰撞(zhuang)到管壁(bi)㊙️的過渡(du)點。流速(su)爲4m/s時，過(guò)渡點在(zài)0.3d處;流速(su)爲40m/s和70m/s時(shi)，過渡點(dian)在0.4d處。也(ye)就是說(shuo)，當流速(su)爲4m/s,平⭐移(yi)距離爲(wèi)0.3d、0.4d和0.5d時，發(fa)生體産(chǎn)生的旋(xuan)渦會碰(peng)撞到管(guǎn)壁;當流(liu)速爲40m/s或(huò)70m/s,偏移距(ju)離爲0.4d和(he)0.5d時，發生(sheng)體産🎯生(shēng)的旋渦(wō)會碰撞(zhuang)到管壁(bì)。
5仿真與(yu)實際流(liu)速對比(bǐ)
　　實驗室(shi)使用50mm口(kou)徑液體(tǐ)流場進(jìn)行實驗(yan)其中實(shi)驗裝置(zhi)如圖9所(suǒ)示,由于(yú)限制本(běn)實驗主(zhǔ)要針對(duì)低流速(su)下進行(hang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼實驗仿(pang)真對比(bǐ)⭕。

　　渦街流(liu)量計安(ān)裝在閥(fá)門的下(xià)遊,由于(yú)閥門上(shàng)遊連接(jie)的，水箱(xiang)在水泵(bèng)不斷送(sòng)水的狀(zhuang)态下一(yī)-直呈溢(yi)出狀态(tài)，因此可(ke)認爲上(shang)遊水🧡箱(xiang)的液位(wèi)是穩定(ding)的。實驗(yan)中通過(guò)調節閥(fa)門的開(kai)度達到(dao)控制回(huí)路中流(liú)量大🌈小(xiǎo)，同時與(yu)仿真中(zhong)的流速(sù)進行對(duì)比，其中(zhong)δ爲發生(shēng)體平移(yí)距離。

6結(jie)論
　　流場(chǎng)仿真在(zài)渦街流(liú)量計傳(chuan)感器設(she)計以及(ji)優化傳(chuán)感器設(shè)計變得(dé)越來越(yuè)重要,它(ta)通過理(lǐ)論支持(chí)指導仿(páng)真☀️的可(ke)實施性(xing)，并将仿(páng)真結論(lun)用于實(shí)驗中,大(dà)大縮短(duan)了設計(ji)周期。
　　通(tong)過模拟(nǐ)三維渦(wo)街流場(chang)以及渦(wō)街流量(liàng)計的漩(xuan)渦發生(shēng)體,通🌈過(guò)改變發(fa)生體與(yu)管道基(ji)準軸的(de)距離從(cóng)而得到(dào)不同的(de)✏️漩渦信(xin)号,通過(guo)仿真與(yu)實際管(guan)道流🏃🏻體(tǐ)的實驗(yan)對比可(kě)以看出(chu),在發生(shēng)體中心(xin)線相對(dui)于基準(zhǔn)軸線🙇‍♀️發(fā)生平移(yi)的情況(kuàng)下，渦街(jie)流場的(de)旋渦信(xin)🛀号強度(du)是流體(tǐ)流速和(he)平移距(jù)離的共(gòng)同作用(yong)結果,同(tong)時在發(fa)生體偏(piān)離中心(xin)軸在0.05d以(yi)内則不(bu)影響渦(wō)街❌流量(liang)計的最(zuì)終測量(liang)精度,這(zhe)爲實際(jì)設計發(fā)生體做(zuò)⭐出理論(lun)指導。

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