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不同截流下涡街流量计的流动特性
发布时间:2019-08-26

摘要:对于涡街流量计的旋涡发生体的仿真研究主要集中在形状和尺寸上,但在现场复杂工况环境的情况下,发生体的位置并不是固定不变的,会存在安装偏差。为了很好的分析发生体安装偏差带来的信号强度发生变化的问题,确定不影响信号强度的最大偏差角度,采用三角柱型发生体,在Ansys+Workbench+FLUENT数值仿真软件平台环境下,根据涡街流量计的实际物理结构尺寸建立仿真模型,并对其进行网格划分、求解,将仿真得到的升、阻力频率相比较,得出阻力频率正好是升力频率的2倍,表明可以利用FLUENT软件对涡街流量计进行三维流场数值仿真。最后利用FLUENT软件,通过改变管截面与截流面的夹角,在低、中、高速流速下,对其进行取压,将得到的信号强度和频谱分布进行比较分析,得出夹角与信号强度的关系:夹角在1°~7°范围,对信号强度的影响不大,超过7°以后影响变大。
1引言
  随着计算机技术、数值计算技术的发展,现代模拟仿真技术计算流体力学(cmputational fluid dynamics,CFD)也随之而生[1]。它是对纯理论和纯实验方法很好的促进和补充。CFD作为一门新兴学科,它力求通过数值实验替代实物实验,采用虚拟流场来模拟真实流场内部的流体流动情况,从而使得实验研究更加方便,研究场景更加丰富可编程[2-5]。
  FLUENT软件提供了多种基于非结构化网格的复杂物理模型,并针对不同物理问题的流动特点创建出不同的数值解法[6]。用户可根据实际需求自由选择,以便在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳,提高设计效率。
  关于涡街流量计的发生体数值模拟研究,主要集中在涡街发生体形状和尺寸上[7-10]。Yamasaki指出发生体的形状与几何参数和涡街流量计的流量特性(仪表系数、线性度、重复性、测量范围)与阻力特性存在相当大的关联关系。S.C.Luo等人研究旋涡发生体尾缘形状以及迎流角度对涡街性能的影响,在风洞和水槽实验中,得出在全长相等的情况下,旋涡强度随尾缘夹角的增大而减小。彭杰纲等人在50mm口径管道气流量实验中,通过对不同尾缘夹角角度的旋涡发生体进行实验研究,得出旋涡发生体尾缘的夹角为41.8°时具有很好的线性度。贾云飞等人通过对二维涡街流场中的压力场进行数值仿真研究,得出T形发生体产生的旋涡信号的强度要优于三角柱发生体。
  涡街流量计利用流体振动原理进行流量测量[11]。选取了应力式涡街流量计进行研究。它通过压电检测元件获取电压频率,再根据流体流量与涡街频率成正比得出被测流量。在过去的涡街流量计研究中,一直将研究重点放在真实流场实验中,但这需要重复更换口径、调节流量,大大降低了工作效率。为解决此问题,采用三维涡街流场数值分析的方法对内部流场的变化进行研究。
  通过FLUENT软件对三维涡街流场进行数值仿真,并将不同流速下的升、阻力系数进行比较,验证数值仿真可行性。并通过改变管截面与截流面之间的夹角,在低、中、高速流速下,进行取压,最终得出随着夹角的不同,信号强度不同。夹角在1°~7°范围,对信号强度的衰减影响不大,超过7°以后对信号强度影响变大,并随着流速的增加,趋势越来越强。
2升、阻力系数
  旋涡脱落时,流体施加给柱体一个垂直于主流的周期性交变作用力,称为升力[12]。由于柱体两侧交替的释放旋涡时,刚释放完涡流的一侧柱面,扰流改善,侧面总压力降低;将要释放涡流的另一侧柱面,扰流较差,侧面总压力较大,从而形成一个作用在三角柱上、方向总是指向刚释放完涡流那一侧的作用力,所以升力的交变频率和旋涡的脱落频率一致,升力的变化规律和旋涡的变化规律一致,因而通过监视柱面上的升力变化规律,可以反映旋涡脱落规律。阻力系数反映的是柱体迎流方向上的作用力变化情况,每当柱体两侧不管哪一边的释放旋涡一次,迎流方向上的作用力都会随压力变化有规律地变化一次,因此,升力系数变化的一个周期内,阻力系数变化为两个周期。
3三维涡街流场模拟的可行性分析
3.1几何建模与网格划分
  图1是在ANSYS Workbench中建立的三维涡街流量计几何模型。其中管道口径50mm,管道长1000mm,旋涡发生体截流面宽度14mm,管截面与截流面夹角为α。
涡街流量计的几何模型图示
对几何模型进行非结构网格划分,作为数值模拟的载体,如图2所示。
涡街流量计的网格划分图示
3.2仿真参数设置
在FLUENT中,三维涡街流场参数设置如下:
1)流体:空气(air);
2)湍流模型:Renormalization-group(RNG)k-ε模型;
3)边界条件
①流速入口边界:根据需要设置不同流速、湍流动能和耗散率;
②压力出口边界:零压;
4)求解器:基于压力的三维双精度瞬态求解器;
5)数值计算过程:SIMPLE算法。
3.3升、阻力变化频率的计算结果及分析
图3所示速度等值。三维涡街流场在夹角为0°,入口流速为5m/s的情况下的速度等值线图。

  通过仿真模拟,图4给出流速u=5m/s时,作用在三角柱上的升力系数和阻力系数变化曲线。由图5升力系数的FFT曲线可以看出其频率为FL=87.92Hz。从图6阻力系数的FFT曲线可以看出其频率为FD=176.43Hz,约为升力系数变化频率的2倍。



  为了验证将FLUENT用于涡街流量计的三维流场仿真的可行性,对不同流速下的升、阻力频率进行比较,如表1所示。可以看出阻力系数变化频率是升力系数变化频率的2倍,说明用FLUENT进行涡街流量计的三维仿真是可行的。

4仿真结果
  基于上述通过升、阻力变化频率的关系验证出利用FLUENT对三维涡街流场进行仿真是可行的。本节应用FLUENT对截流夹角、流速和信号强度之间的关系进行了仿真研究。分别取7m/s、40m/s和70m/s的流速,α的角度在0°~10°范围内取值(发生体的安装偏差一般不会超过10°),进行数值仿真。记录信号强度,如表2所示。

  将表2的数据绘制成图7,将图7中流速为7m/s的数据放大如图8所示。观察图7、8,可以直观的反应出夹角、流速与信号强度的关系变化。通过对比这3张图可以看出,信号强度随着夹角、流速的不同而不同。并从图中得出结论:
1)涡街的信号强度与流速成正比,随着流速的增加,旋涡脱落频率信号强度会显著增加。
2)在流速相同的情况下,随着夹角的增大,信号强度逐渐减小,并随着夹角的增大,信号强度的衰减程度也逐渐增大。夹角在1°~7°范围,对信号强度的衰减影响不大,可忽略,超过7°以后对信号强度影响变大,不可忽略3)在夹角相同的情况下,随着流速的增大,信号强度衰减趋势越来越明显。


5结论
  流场仿真在涡街流量计的设计和完善中正变得越来越重要,它通过理论支持指导仿真的可实施性,并将仿真结论用于实验中,提高效率。通过模拟三维涡街流场三角柱绕流现象,将升、阻力频率进行对比,验证了可将FLUENT用于三维涡街流场的仿真中。并从不同流速和不同截流夹角两方面分别考虑,对比分析了三维涡街信号的信号强度,得出夹角在1°~7°范围,对信号强度的影响不大,超过了7°以后影响变大。从而为以后的实验做出理论指导。进一步的研究可以通过对不同形状的旋涡发生体取不同截流夹角和不同流速进行仿真对比研究。

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