摘要(yào):通過FLUENT對典(diǎn)型的渦街(jiē)流量計 在(zai)低溫流體(ti)中的卡門(mén)渦街流場(chang)特性進行(hang)理論分析(xi)🈲和數🈲值仿(páng)真,并與常(cháng)溫工況下(xia)的渦街流(liú)場進行比(bǐ)較🏃‍♂️,分析👣低(dī)溫流體的(de)旋渦分離(lí)過程,得出(chu)流量與渦(wō)街分離頻(pin)率👈的對應(yīng)關系。研究(jiu)表明🌈,數值(zhí)仿真方法(fǎ)成本低,适(shì)于模拟💔複(fu)雜流場🌈,爲(wei)低溫渦街(jie)流量計✔️在(zài)渦街發生(shēng)🌐體形狀和(hé)壓電振動(dong)傳感🥰器采(cǎi)樣位置📱的(de)設計與優(you)化提供理(lǐ)論依據。.
1引(yǐn)言
　　渦街流(liu)量計具有(yǒu)儀表系數(shu)穩定、瞬時(shí)流量測量(liang)正确🎯、量程(cheng)範圍寬、壓(ya)力損失小(xiǎo)、結構和檢(jiǎn)測方式組(zǔ)合多樣、便(biàn)于安裝維(wéi)護等諸多(duō)特點，在流(liu)量測量領(lǐng)域占有重(zhong)要地位。常(chang)溫下的渦(wō)街💔流量計(ji)技術已經(jīng)相當成熟(shu)，至今已發(fa)展爲多種(zhong)旋渦發生(sheng)體形式及(jí)不同檢測(ce)方法，系列(lie)化的産🔴品(pǐn)應用于各(ge)種工業領(ling)域。但用于(yú)低溫(特别(bié)是超低溫(wēn),如液氫、液(yè)氧、液氮)流(liu)體測量的(de)渦街流量(liang)計才剛剛(gāng)起步，國外(wài)已在近期(qi)開展了研(yán)究,在國外(wai)航天領域(yù)的低溫流(liu)體流量測(ce)量中使用(yòng)效果良好(hǎo)，并逐步有(yǒu)産🐅品推向(xiang)市場。目前(qián),中國國内(nei)少有低溫(wēn)渦街流量(liang)計的産品(pǐn)和文獻系(xi)統報導。
　　在(zai)超低溫下(xia)，信号感測(cè)器靈敏度(dù)下降,因此(ci)必須産🌂生(shēng)更加強☂️烈(lie)🙇🏻穩定的旋(xuán)渦,才能提(tí)高信噪比(bǐ),滿足精度(dù)要求。此外(wài)，液💯氫、液氧(yǎng)和液氮等(deng)低溫流體(ti)的物性極(ji)爲特💜殊,其(qi)黏度極低(dī),極易産生(sheng)空穴。衆所(suo)周知,旋渦(wō)發生體🙇🏻形(xíng)狀和檢測(cè)位置對渦(wo)街流量計(ji)的測量質(zhi)量影響很(hen)大，,但是受(shòu)檢測條件(jian)和手♋段的(de)限制，難🚶以(yi)對其影響(xiǎng)👨‍❤️‍👨進🈚行有效(xiao)評價。利用(yong)計算流體(tǐ)力學(CFD)數⚽值(zhí)仿真的方(fang)法模拟不(bú)同旋渦發(fa)生體渦街(jiē)流量傳感(gan)♈器内部流(liu)場,進而👨‍❤️‍👨确(què)定旋渦發(fā)生體形狀(zhuang)以及檢測(cè)點位置,對(dui)渦街流量(liàng)傳感器🌐的(de)優化具有(yǒu)重要的🈲指(zhǐ)導意義。本(ben)文根據低(di)溫流體(以(yi)液氮爲例(li))的物性♊參(cān)數和流體(tǐ)力學理論(lun),對低溫渦(wo)街的流場(chǎng)進行理論(lùn)計算和數(shu)值仿真,分(fen)析低溫流(liú)體渦街的(de)産生過程(chéng),對比低👄溫(wen)渦街和常(cháng)溫渦街流(liú)場分布🐇的(de)異同,爲低(dī)溫渦街流(liú)量計的💘設(she)計和優化(huà)提供理論(lun)依據。
2低溫(wen)渦街特性(xìng)理論分析(xi)
2.1渦街流量(liang)計的工作(zuo)原理
　　在流(liu)體中設置(zhì)旋渦發生(shēng)體,就會從(cóng)旋渦發生(shēng)體兩.側交(jiāo)替地産生(sheng)有規則的(de)旋渦,這種(zhǒng)在旋渦發(fā)生體下遊(you)非對稱排(pái)列的旋渦(wō)♉列即卡門(mén)渦街。根據(jù)卡門🔴渦街(jiē)原理,旋渦(wō)頻率ƒ有如(ru)下關系式(shì):
 
　　式中:ƒ爲旋(xuan)渦頻率,Hz;Sr爲(wei)斯特勞哈(hā)爾數,無量(liang)綱,與旋渦(wō)發🐪生體形(xing)🔞狀💰及雷諾(nuò)數Re有關,在(zài)Re=2×104-7x106範圍内可(ke)視爲常數(shù)，例如三角(jiǎo)柱發生體(ti)的斯特勞(láo)哈爾數爲(wèi)Sr=0.16;V爲測量管(guǎn)💰内被測介(jiè)質的平均(jun1)流速，m/s;m爲發(fā)生體兩側(cè)弓形流通(tong)面積之和(he)與測量管(guǎn)的橫街面(miàn)積之比,計(ji)算如下:
 
　　式(shì)中:D爲渦街(jie)流量計管(guan)道口徑,m;d爲(wei)旋渦發生(shēng)體迎流面(mian)寬🤟度🍓,m,對于(yu)三角柱發(fā)生體而言(yán),d=0.28D。
　　渦街流量(liàng)計的儀表(biǎo)系數K:
 
　　式中(zhong):K爲渦街流(liu)量計儀表(biao)系數,m-3;qv爲管(guǎn)道内被測(ce)介質的體(tǐ)積流✍️量,m³/s。
　　可(ke)見儀表系(xi)數K與旋渦(wō)發生體、管(guǎn)道的幾何(hé)尺寸及斯(sī)特勞哈爾(er)數Sr有關。但(dàn)在Sr可視爲(wei)常數的雷(lei)諾數範圍(wéi)内♉,K就隻🔞與(yǔ)旋渦發生(shēng)體形狀和(he)管道幾何(he)尺寸有👅關(guan),因此♈渦街(jiē)流量計輸(shū)👉出的脈沖(chong)頻率信号(hao)不受流📞體(ti)物性和組(zǔ)分變化的(de)影響，隻要(yào)正确測得(dé)旋渦頻⭕率(lü)ƒ,就可正确(què)得知被測(cè)流體的流(liu)速U和🆚體積(ji)流量qv,給.信(xin)号的測量(liàng)⛱️提供了依(yi)據。
2.2低溫渦(wo)街流量與(yǔ)頻率特性(xìng)
　　圓管傳輸(shu)流體的雷(léi)諾數Re爲:
 
　　式(shi)中:ν爲流體(ti)運動黏度(du),m/s。
　　渦街流量(liàng)計測量液(yè)體的最低(dī)流速一般(bān)≥0.3m/s,最大流速(su)應≤7m/s。以口徑(jing)100mm的🌈渦街流(liu)量計爲例(lì)，在測量液(yè)氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其雷(léi)諾數Re的上(shàng)下限爲:1.53x105≤Re≤3.58x106，滿(man)足斯特勞(láo)哈爾數Sr可(ke)視爲常數(shù)的雷諾數(shu)範圍。因此(ci),渦街流量(liang)計的特性(xing)在原理上(shàng)也可以适(shì)用于液氮(dàn)的低溫工(gōng)㊙️況流量測(ce)量。
　　依據式(shi)(3)可以計算(suan)出口徑100mm的(de)渦街流量(liàng)計的儀表(biao)系數K=1123m-3.
3低溫(wen)渦街的流(liu)場仿真模(mó)型建立.
3.1FLUENT在(zài)渦街仿真(zhen)中的應用(yong)
　　計算機高(gao)性能運算(suan)的不斷提(ti)高使計算(suàn)流體力學(xue)(CFD)技☂️術✏️更加(jiā)實用,越來(lái)越完善的(de)流體計算(suàn)模型開始(shǐ)被商業化(huà)的CFD軟件所(suo)✔️采用，如FLUENT集(ji)成了衆多(duō)湍流模型(xing)、LES模型JDES模型(xíng)、化學反應(yīng)模型、多相(xiàng)流模型等(děng)研究成果(guǒ)。近年，在渦(wō)街流量計(jì)設計和優(yōu)化中,越來(lái)越多的采(cai)用了FLUENT等CFD軟(ruǎn)件進行數(shù)值仿真,大(da)大節省了(le)開發成本(ben)和周期,并(bing)且對其内(nèi)部流場有(you)了更加深(shēn)刻和直觀(guan)的理解。
　　通(tōng)過兩維渦(wō)街流場的(de)仿真,研究(jiū)了雷諾數(shu)和剪切率(lǜ)對⭐渦結構(gòu)的影響。通(tōng)過FLUENT對渦街(jiē)流量計流(liú)場進行了(le)數值仿真(zhen),據📧此優化(huà)設計渦街(jiē)流量計結(jie)構，選取取(qǔ)壓位置。研(yan)究旋渦發(fa)生體前💃後(hou)壓差與流(liú)速之間的(de)關系，提出(chū)了利用單(dan)一差壓傳(chuán)感器測量(liang)質量流🔞量(liàng)的新方法(fa)。通過FLUENT對梯(ti)形⭐發生體(ti)與T形發生(sheng)體的渦街(jiē)流場進行(hang)模拟對比(bi)研究,并得(dé)到了檢測(cè)點位置。以(yi)上研究者(zhě)的工⛷️作表(biao)明,利用FLUENT仿(pang)真💰能夠較(jiao)真實的反(fan)映渦街流(liu)量計的内(nei)部流場特(te)性,在渦街(jie)流量計的(de)開發過程(cheng)中扮演越(yuè)來越重要(yao)的角色。
3.2建(jian)模與網格(ge)劃分
　　渦街(jie)流量計的(de)二維仿真(zhen)結構模型(xíng)如圖1所示(shi),管道口徑(jìng)🌈爲D=100mm,三角柱(zhu)旋渦發生(shēng)體迎流面(mian)寬度d=28mm,頂角(jiao)θ=19°,符合該管(guan)道口徑下(xia)的行業标(biao)準。渦街流(liu)量計的網(wang)格劃💞分采(cai)用四邊形(xíng)結構化網(wǎng)格,根😍據區(qu)域的不規(gui)則程度和(hé)流場的複(fu)雜程度對(dui)不同子區(qu)域進行分(fen)别劃分。
 
3.3求(qiú)解條件設(she)置
　　爲了能(neng)夠計算得(de)到流場的(de)正确解,必(bì)須給定合(he)理的邊界(jiè)條件㊙️和流(liú)體物性,并(bing)選擇合适(shi)的求解器(qi)和計算模(mo)型。渦街流(liu)場爲非定(ding)常流動，雷(léi)諾數較高(gao),對渦街流(liu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻場仿真的(de)求解條件(jiàn)如表1設置(zhì)。
 
4仿真結果(guo)分析
4.1低溫(wen)渦街的形(xing)成過程
　　圖(tu)2表示了一(yī)個旋渦形(xíng)成周期T内(nei)不同時刻(kè)的渦街二(er)維流🐇場圖(tú),直觀反映(yìng)了渦街的(de)形成、脫落(luò)過程。可以(yi)看到邊界(jiè)層在渦街(jiē)發⛹🏻‍♀️生體的(de)兩側平行(háng)棱邊開❓始(shi)減速增壓(yā)運動,并伴(bàn)有倒流現(xian)象。倒流沿(yan)着壁面向(xiàng)後伸展使(shǐ)邊界層💰明(míng)顯增厚,同(tong)時旋渦的(de)尺寸不斷(duan)增大。當旋(xuan)渦增加到(dào)一定程度(dù)後,就從發(fā)生體上‼️脫(tuō)落分離，随(suí)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼着流體向(xiàng)下遊運‼️動(dong),形成振蕩(dang)尾流。在旋(xuan)渦的中心(xin)形成低壓(ya)區,會随着(zhe)旋渦的交(jiāo)替産生🐆和(hé)脫落過程(chéng),在流場中(zhong)形成周期(qi)性變化的(de)壓力場,壓(yā)力場的變(biàn)化頻率與(yǔ)🏃旋渦脫落(luò)頻率--緻。壓(yā)電式渦街(jie)流量計即(ji)是通過檢(jiǎn)測流場内(nei)振蕩尾流(liu)中特定點(diǎn)處的壓力(lì)變化頻率(lü)來測定流(liú)速。
 
4.2低溫渦(wō)街仿真結(jie)果正确率(lǜ)驗證
　　由于(yu)低溫渦街(jiē)試驗條件(jian)受限,低溫(wēn)渦街仿真(zhēn)結果♻️和理(lǐ)論🍓計算值(zhi)與相同結(jie)構尺寸的(de)常溫渦街(jiē)流量計在(zai)水介質中(zhong)的校驗數(shù)⛷️據進行比(bǐ)對。如圖3所(suǒ)示,試驗與(yǔ)仿真曲線(xian)的線性🐅度(du)都很好，而(ér)且低溫介(jiè)質與㊙️常溫(wēn)介質♊的數(shu)據比較一(yi)緻,驗證了(le)斯特勞哈(ha)爾數㊙️St與儀(yí)表系數📞K不(bú)随介質與(yǔ)溫度影響(xiang)的✂️特性。分(fen)析結💋果可(kě)知:渦街流(liú)量計儀表(biao)系數的試(shi)驗值與理(li)論計算值(zhí)之間的相(xiàng)對誤差在(zài)3%之内;仿真(zhen)值與試驗(yàn)值之間🥵的(de)相對誤差(chà)在5%之内,說(shuo)明所采取(qu)的仿真方(fang)法比較正(zheng)确,驗證了(le)FLUENT數值仿真(zhen)技術用于(yu)低溫渦街(jiē)㊙️流量計流(liú)場仿真的(de)可💁行性。
 
4.3低(dī)溫渦街與(yǔ)常溫渦街(jiē)的流場分(fen)布對比
　　圖(tú)4比較了低(di)溫渦街與(yu)常溫渦街(jie)的流場分(fèn)布,由于液(yè)氮的粘度(du)比水低很(hěn)多,流體内(nei)部的分子(zǐ)間引力⛷️和(he)碰撞較弱(ruò)，流體間的(de)相對運動(dong)阻力較大(dà)，造成低溫(wen)渦街的流(liú)場中速度(dù)梯度較大(da),表現爲旋(xuan)渦尺寸比(bi)常溫工況(kuang)下的旋渦(wō)小。因此，相(xiang)比常溫下(xià)壓電傳感(gǎn)器的安置(zhì)位置而言(yán)，檢測振蕩(dang)尾流中旋(xuan)渦列的低(dī)溫渦街的(de)傳感器就(jiù)要更靠近(jin)渦街發生(shēng)體🔴,這在設(she)計低溫渦(wō)街流⛹🏻‍♀️量計(ji)時必須特(te)殊考慮。
　　能(neng)量的相對(dui)集中導緻(zhi)了壓力梯(ti)度(主要爲(wei)動壓)也比(bǐ)較大。但必(bi)須注意到(dào)，在旋渦發(fa)生體前後(hou)的壓差使(shi)液體介😍質(zhi)釋放出氣(qi)體而在渦(wō)街發生體(tǐ)末端附📞近(jin)産.生空穴(xue),這🌈在低溫(wen)工況下尤(you)爲嚴🔞重。因(yin)此,必須在(zai)渦街流💚量(liang)計下遊設(she)置背壓以(yǐ)避免空化(hua)現象的影(yǐng)響。同時也(ye)🤟說明了采(cǎi)用❤️安置在(zài)渦街發生(shēng)體上測量(liàng)交變壓差(chà)或壓力脈(mo)動的測量(liàng)方法,并不(bu)适用于低(dī)溫工況🚩下(xia)的渦🐪街信(xìn)号💁檢測。
5結(jié)論
(1)通過對(dui)低溫渦街(jiē)流場的CFD仿(páng)真模拟,圖(tu)示了低溫(wen)渦街的‼️形(xing)成和脫落(luò)過程,便于(yú)更好地分(fèn)析和理解(jie)渦街特🤩性(xìng)。
(2)分析渦街(jie)流量計儀(yí)表系數的(de)理論計算(suan)數據、試驗(yan)數據與仿(pang)真數據,驗(yàn)證了将FLUENT數(shù)值仿真技(ji)術用于渦(wo)街流🏃🏻‍♂️量計(jì)内部流場(chǎng)🌐分析的有(yǒu)效性,可以(yi)作爲渦街(jiē)流量計㊙️的(de)優化設計(ji)的理論指(zhi)導依據✂️。
(3)對(dui)低溫渦街(jiē)和常溫渦(wo)街的流場(chǎng)分布進行(háng)對比,從低(di)黏度流🔆體(tǐ)🍓介質物性(xing)的角度解(jiě)釋了低溫(wen)渦街流場(chǎng)的🛀🏻特殊性(xing),并對低溫(wen)渦街壓電(dian)傳感器位(wèi)置設置☂️提(tí)出了有益(yì)建議。

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