摘要：目(mù)前對于(yu)渦街流(liú)量計 漩(xuán)渦發生(sheng)體的位(wèi)置研究(jiū)僅局限(xiàn)于二維(wéi)的仿真(zhēn)研究，但(dàn)💜實際流(liú)體撞擊(jī)漩渦發(fā)生體是(shi)流體三(san)維模型(xing)。鑒于二(èr)維💚仿真(zhen)并不能(neng)完全對(dui)實際流(liú)體撞擊(jī)漩渦發(fa)生體的(de)流場進(jin)行驗證(zhèng)，采用數(shù)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(jiàn)立相應(yīng)的三維(wéi)仿真模(mó)型。并對(dui)仿真模(mo)型進行(hang)網格細(xi)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(yàn)對比🔞驗(yan)證表明(míng)通過FIUENT軟(ruan)件對實(shi)際渦街(jiē)流場進(jin)行仿真(zhen)的可行(hang)性。最終(zhōng)利用FLUENT軟(ruan)件，對⁉️不(bú)同流速(sù)，通過調(diào)🔱整發生(shēng)體平移(yí)的位置(zhì)最終确(què)定發生(sheng)體位置(zhi)對渦街(jie)信号的(de)影響，從(cong)而确定(ding)發生體(tǐ)允許最(zui)大的平(ping)移位置(zhi)占。
1引言(yan)
　　随着渦(wō)街流量(liàng)計在國(guó)内各行(háng)各業的(de)使用量(liang)逐漸增(zēng)大🍓，各高(gāo)👣校、研究(jiu)所和流(liú)量計生(shēng)産廠商(shang)的學者(zhe)和研究(jiu)人員也(yě)對❤️此展(zhan)開了各(ge)方面的(de)研究，渦(wō)街流場(chǎng)的數值(zhí)仿真的(de)研究和(hé)實現也(yě)🌈是其中(zhong)一個重(zhòng)點]。
　　基于(yu)渦街流(liú)量計的(de)測量原(yuán)理渦街(jiē)發生體(tǐ)的設計(ji)要求💯就(jiù)尤爲重(zhong)要，而在(zài)實際設(she)計生産(chan)當中不(bú)能保證(zhèng)發生體(tǐ)的中心(xin)位置在(zai)管道的(de)中軸線(xiàn)上，發生(shēng)體📱與管(guǎn)道中軸(zhóu)線偏離(lí)多少會(hui)對最終(zhong)的測量(liàng)産生影(yǐng)響需要(yao)重🎯複更(geng)換發生(sheng)體，操作(zuo)起來費(fèi)時費力(li)。鑒于以(yǐ)上原因(yin)對🍉進行(háng)對渦街(jie)發生體(tǐ)移動位(wei)置進行(hang)仿真研(yán)究，通過(guo)仿真結(jie)果來指(zhi)導物理(lǐ)實驗，并(bing)根據物(wu)理實驗(yàn)結果進(jin)一步完(wán)善傳感(gǎn)器結構(gou)。
2渦街流(liu)量計原(yuán)理
　　渦街(jie)流量計(ji)利用流(liú)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(liu)體-部分(fen)動能轉(zhuan)化爲振(zhen)動,其振(zhen)動頻率(lǜ)與流速(su)(流🙇🏻量)有(you)💰确定的(de)比例關(guan)系。1878年斯(sī)特勞哈(hā)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(yuán)理是:在(zài)與被測(cè)介質流(liu)向垂直(zhí)的方向(xiang)放置--個(ge)非流線(xiàn)型旋渦(wō)發生體(ti)，當流體(ti)流過該(gāi)♈旋🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦發(fā)生體時(shi)，在發生(shēng)體後方(fāng)兩💚側交(jiao)⭐替地分(fen)離釋放(fang)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(jiē)們，如圖(tu)1所示。當(dāng)旋渦發(fā)生體右(you)(或左)下(xià)方産生(sheng)一個旋(xuán)渦後，在(zài)旋渦發(fā)生體上(shàng)産生一(yi)👄個升力(li)。在旋渦(wō)發生體(ti)的後方(fang)安裝應(yīng)力式壓(ya)電傳感(gan)器，可以(yǐ)将作用(yòng)在旋渦(wo)發生體(tǐ)上的升(sheng)力轉換(huàn)爲㊙️電荷(he)信号。該(gai)電荷信(xin)号的‼️變(biàn)化頻率(lü)與旋渦(wo)的脫離(lí)💁頻率一(yī).緻🈲。通過(guò)檢測電(dian)荷信号(hào)的變化(huà)頻率，就(jiù)可以得(de)到旋渦(wō)的分離(li)頻率口(kǒu)。

3渦街流(liú)場模型(xíng)分析
　　雷(léi)諾時均(jun)方程的(de)方法求(qiú)解出來(lai)的是流(liú)動變量(liang)的針💃🏻對(duì)時間的(de)平均值(zhí).無法給(gei)出流場(chǎng)結構的(de)詳細信(xìn)息，體現(xiàn)不🛀出湍(tuān)流流🚶動(dòng)的🏒瞬時(shi)性特點(diǎn)。大渦模(mo)拟(LargeEddySimulation,LES)是近(jìn)代湍流(liú)研究中(zhong),用計算(suàn)機直接(jiē)求解N-S方(fang)程的一(yi)種方法(fǎ),它從空(kong)間的角(jiao)度對大(da)渦進行(háng)直接模(mó)拟，對小(xiǎo)♊渦進行(hang)模型化(huà)處理，從(cóng)而✉️使得(dé)網格要(yào)求比DNS低(di)。其基🧑🏽‍🤝‍🧑🏻本(běn)思想是(shi);将流動(dòng)的區域(yù)分爲兩(liǎng)個部分(fen):一部分(fèn)是可通(tōng)過求解(jie)定常三(san)維N-S方程(chéng)獲得的(de)大尺度(dù)渦旋流(liu)動👈部分(fen)，另一部(bù)分是🐅不(bu)需要直(zhí)接計算(suàn)可✂️采用(yong)通用模(mo)型獲得(dé)💚的小尺(chǐ)度部分(fen)。
　　LES的控制(zhi)方程是(shi)對N-S方程(cheng)在波數(shù)空間或(huò)物理空(kong)間進行(hang)💜過濾得(dé)到的。過(guo)濾的過(guo)程是去(qu)掉比過(guò)濾寬度(dù)或者給(gei)👈定物理(li)寬度小(xiǎo)的旋渦(wō)，從而得(dé)到大旋(xuán)渦的控(kòng)制方程(chéng)。對于均(jun)勻湍流(liu),常用卷(juan)積濾波(bō)定義變(biàn)量的大(da)尺度成(cheng)分:


　　爲了(le)直觀得(de)到渦街(jie)信号真(zhen)實的流(liú)動曲線(xiàn)及流場(chang)分布,本(běn)課題采(cǎi)用LES湍流(liú)模型來(lai)模拟渦(wo)街流場(chǎng)。在CFD-Post中.選(xuǎn)用二階(jiē)💃迎風差(cha)分格式(shì)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(xiàn)圖，可以(yi)從圖中(zhōng)清晰地(dì)看♌到旋(xuán)渦的産(chan)生、脫落(luo),以及渦(wō)街流量(liàng)計的工(gong)作流場(chang)。

4三(san)維渦街(jiē)流場仿(páng)真
　　通過(guo)FLUENT軟件對(duì)實際管(guan)道中的(de)流場進(jin)行仿真(zhēn),其中在(zài)使用FLUENT設(she)置🤩相關(guan)參數時(shí)是根據(jù)實際管(guan)道中發(fā)生體的(de)尺寸進(jìn)行配置(zhi),圖3爲實(shi)際管道(dao)中發生(sheng)體在管(guǎn)道中平(píng)移後的(de)三視圖(tu)。

　　發生體(ti)中心線(xian)平行于(yú)基準軸(zhou)線。這種(zhǒng)情況下(xia)，會産生(sheng)位置偏(piān)♈差🏃🏻‍♂️，平移(yi)距離記(jì)作δ。如圖(tu)4所示。

　　在(zai)Geometry中建立(lì)發生體(tǐ)中心線(xiàn)平行于(yu)基準軸(zhou)線的三(san)維幾何(hé)模型🌈。如(rú)圖5所示(shì)。


　　可以從(cóng)圖7中看(kàn)出即使(shi)發生體(ti)位置與(yu)理想位(wei)置存在(zài)偏差，仍(réng)🤞然會出(chu)現旋渦(wo)脫落現(xiàn)象。并且(qiě)當發生(shēng)體上側(cè)的旋渦(wō)從産生(sheng)到脫落(luo)時.發生(shēng)體下側(ce)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(shang)側旋渦(wo)離開發(fa)生體一(yī)段距離(lí)以後，下(xia)側才開(kāi)👅始出現(xiàn)旋👉渦。
　　發(fa)生體在(zai)理想位(wèi)置時産(chan)生的旋(xuan)渦是交(jiāo)替排列(lie)的，而發(fā)生體在(zài)中心線(xian)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(xin)線相對(dui)基準軸(zhóu)線平移(yi)的方向(xiàng)碰撞🧑🏾‍🤝‍🧑🏼到(dào)管壁。針(zhēn)對此現(xiàn)象對低(di)速(4m/s)、中速(sù)(40m/s)和高速(sù)(70m/s)流速下(xia)進行仿(páng)真研究(jiu)，并将數(shù)據記🌈錄(lù)到表1中(zhong)。

　　爲了更(gèng)爲直觀(guān)地反映(ying)出圖8中(zhōng)不同流(liú)速下的(de)旋渦信(xìn)号強度(du)随平移(yi)位置的(de)變化規(gui)律,現将(jiāng)表1中的(de)旋渦信(xìn)号強度(dù)用表2的(de)偏移♌程(cheng)度來表(biǎo)示。

　　将表(biǎo)2中的數(shu)據繪制(zhi)成圖8。從(cong)圖中可(ke)以看出(chu)信号強(qiang)度随着(zhe)偏移距(jù)離，流速(sù)的不同(tóng)而不同(tóng)。并且得(dé)出以下(xià)結論:無(wu)論是低(dī)速👄(4m/s).中速(sù)(40m/s)、還是高(gāo)速(70m/s)流速(sù)下,随着(zhe)平🌏移距(ju)離的增(zēng)加，信号(hào)強度減(jiǎn)弱,偏移(yi)程度增(zeng)加。平移(yí)距離越(yue)小，偏移(yí)程度越(yue)小,随着(zhe)平移距(jù)離的增(zēng)加，平移(yí)距離與(yǔ)偏移程(cheng)度近似(sì)🔞于平方(fang)關系。
　　通(tōng)過觀察(chá)低速(4m/s)、中(zhōng)速(40m/s)和高(gao)速(70m/s)流速(sù)下渦街(jie)流場中(zhōng)旋❤️渦的(de)産生🔴-脫(tuo)落圖，可(kě)以發現(xian)，當平移(yi)距離較(jiao)小時，會(huì)在發生(shēng)體尾部(bu)生成兩(liang)列🍉規則(zé)排列的(de)旋渦。繼(jì)續增加(jiā)偏移距(jù)離，會😄出(chu)現旋渦(wō)發生體(ti)尾部産(chan)生交替(ti)排🈲列的(de)旋渦向(xiàng)發生體(tǐ)尾部産(chan)生的旋(xuan)渦碰撞(zhuang)到管壁(bì)的過渡(du)點。流速(sù)爲4m/s時，過(guo)渡點在(zai)0.3d處;流速(su)💋爲40m/s和70m/s時(shi)，過渡點(diǎn)在0.4d處。也(ye)就是說(shuo)，當流速(su)爲4m/s,平✌️移(yí)距離爲(wèi)0.3d、0.4d和0.5d時，發(fa)生體産(chǎn)生的旋(xuán)渦會☂️碰(pèng)撞到管(guan)壁;當流(liú)速爲40m/s或(huo)70m/s,偏移距(ju)🏃離爲0.4d和(hé)0.5d時，發生(sheng)體産生(sheng)的旋渦(wo)會碰撞(zhuang)到管壁(bì)。
5仿真與(yu)實際流(liu)速對比(bǐ)
　　實驗室(shì)使用50mm口(kou)徑液體(tǐ)流場進(jìn)行實驗(yan)其中實(shi)驗裝置(zhì)如圖9所(suǒ)示,由于(yú)限制本(ben)實驗主(zhǔ)要針對(dui)低流速(su)下進行(háng)實驗仿(pang)真對比(bǐ)。

　　渦街流(liu)量計安(an)裝在閥(fá)門的下(xia)遊,由于(yu)閥門上(shàng)遊連接(jiē)的，水🤟箱(xiang)在🚩水泵(bèng)不斷送(sòng)水的狀(zhuàng)态下一(yi)-直呈溢(yì)出👄狀态(tài)，因此可(kě)認爲上(shàng)遊水箱(xiang)的液位(wèi)是穩定(dìng)的。實驗(yan)中通過(guo)調節閥(fá)門的開(kāi)🐅度達到(dao)控制回(hui)路中流(liú)量大小(xiǎo)，同時與(yǔ)仿真中(zhōng)的流速(sù)進行🌈對(dui)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(zai)渦街流(liú)量計傳(chuan)感器設(shè)計以及(jí)優化傳(chuán)☁️感器設(she)計變得(de)越來越(yue)重要,它(tā)通過理(li)論支持(chi)指導仿(pang)真🚶‍♀️的可(ke)實施🔞性(xing)，并将仿(pang)真結論(lun)用于實(shi)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(liang)計的漩(xuán)渦發生(sheng)🛀🏻體,通過(guo)改變發(fa)生體與(yu)管道基(ji)準軸的(de)距離從(cóng)而得到(dao)不同的(de)漩渦信(xin)号📞,通過(guo)仿真與(yǔ)實際管(guǎn)道流體(tǐ)的實驗(yan)對比可(kě)以看🔱出(chū),在發生(sheng)體中心(xin)線相對(dui)于基準(zhǔn)軸線發(fa)生平移(yi)的情況(kuang)下，渦街(jie)流場的(de)旋渦信(xin)号強度(du)是流體(ti)流速和(hé)平移距(jù)離的共(gòng)同作用(yòng)結果,同(tóng)時在發(fā)生體偏(pian)離中心(xin)軸在0.05d以(yi)内則不(bú)影響渦(wo)街流量(liang)計的最(zuì)終測量(liàng)精度❓,這(zhe)爲實際(ji)設計發(fa)生體做(zuò)出理論(lun)指導。

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