摘要:通(tong)過FLUENT對典(diǎn)型的渦(wo)街流量(liang)計 在低(dī)溫流體(ti)中的卡(ka)門渦街(jie)流場特(te)性進行(háng)理論分(fèn)析和數(shù)值仿真(zhen),并與常(chang)溫工況(kuang)下的渦(wo)街流場(chǎng)進行比(bi)較🆚,分析(xi)低溫流(liú)體的旋(xuan)渦分離(lí)過程,得(de)出流量(liàng)與渦街(jiē)分離頻(pin)率的對(duì)應關系(xi)。研究表(biao)明,數值(zhí)仿真方(fang)♈法成本(ben)低,适于(yu)模拟複(fú)雜流場(chǎng),爲低溫(wēn)渦街流(liú)量計🌈在(zai)渦街發(fā)生㊙️體形(xíng)狀和壓(ya)電振動(dong)傳感器(qì)采樣位(wei)置的設(shè)計與優(yōu)化✔️提供(gong)理論依(yi)據。.
1引言(yan)
　　渦街流(liú)量計具(ju)有儀表(biǎo)系數穩(wěn)定、瞬時(shi)流量測(ce)量正确(que)、量🎯程範(fan)圍寬、壓(yā)力損失(shi)小、結構(gou)和檢測(cè)方式組(zǔ)合🌐多樣(yàng)、便于安(ān)裝☂️維護(hu)等諸多(duō)特點，在(zai)流量測(cè)量領域(yù)占有重(zhong)要地位(wei)。常溫下(xia)的渦街(jie)流量計(jì)技術已(yi)經相當(dāng)成熟，至(zhì)🈚今已發(fa)展爲多(duo)種旋渦(wō)發生體(ti)形式及(ji)不🔞同檢(jian)測方法(fǎ)👉，系列化(hua)的産品(pin)應用于(yu)各種工(gōng)業領域(yu)。但用于(yu)低溫(特(te)别是超(chāo)低溫,如(rú)液氫、液(yè)氧、液氮(dàn))流體測(cè)量的渦(wo)街流量(liang)⭐計才剛(gāng)剛起步(bù)，國外已(yǐ)在近期(qi)開展了(le)研究,在(zài)國外航(háng)天領域(yù)的低溫(wen)流體流(liu)量測量(liàng)中使用(yong)效果良(liang)好，并逐(zhú)🔞步有産(chan)品推向(xiàng)市場。目(mu)前,中⛱️國(guó)國内少(shǎo)有低溫(wen)🐉渦街流(liú)量計的(de)産品和(hé)✊文獻系(xì)統🐅報導(dao)。
　　在超低(dī)溫下，信(xin)号感測(cè)器靈敏(min)度下降(jiang),因此必(bì)須産生(shēng)更✉️加強(qiáng)烈穩定(ding)的旋渦(wo),才能提(ti)高信噪(zào)比,滿足(zú)精度要(yao)求。此👅外(wài)，液🏃氫、液(ye)氧和🎯液(yè)氮等低(dī)溫流體(tǐ)的物性(xing)極爲特(te)殊,其黏(nián)度極低(dī),極易産(chǎn)生空穴(xue)。衆所周(zhōu)知,旋渦(wo)發生體(ti)🈲形狀和(hé)檢測位(wèi)置對渦(wō)街流量(liàng)計的測(ce)量🚩質量(liang)影響很(hen)大，,但是(shi)受檢📧測(ce)條件和(he)手段的(de)限制，難(nan)以對其(qí)影響進(jìn)🔞行有效(xiào)評價。利(lì)用計算(suàn)流體力(li)🧡學(CFD)數值(zhi)仿真的(de)方法模(mó)拟不同(tóng)旋渦發(fā)生🥵體渦(wō)街流量(liang)傳感器(qi)内部流(liú)場,進而(ér)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼确定旋(xuan)渦發生(sheng)體形狀(zhuang)以及檢(jiǎn)🙇‍♀️測點位(wèi)置,對渦(wo)街流量(liàng)傳感器(qì)的優化(hua)具有重(zhòng)要的指(zhǐ)導意義(yi)。本文根(gen)據低溫(wēn)🈚流體(以(yǐ)液氮爲(wèi)例)的物(wù)性參數(shù)和流體(tǐ)🌈力學理(lǐ)論,對低(dī)✏️溫渦街(jiē)的流場(chǎng)進行理(li)🎯論計♻️算(suàn)和數值(zhi)仿真,分(fen)析低溫(wēn)流體渦(wō)街的産(chan)生過程(chéng),對比低(di)🔞溫渦街(jie)和常溫(wēn)渦街流(liu)場分布(bu)的異同(tong),爲低溫(wen)渦街流(liú)量計的(de)設計和(hé)優化提(ti)供理論(lùn)依據。
2低(di)溫渦街(jiē)特性理(lǐ)論分析(xi)
2.1渦街流(liu)量計的(de)工作原(yuán)理
　　在流(liu)體中設(shè)置旋渦(wo)發生體(tǐ),就會從(cóng)旋渦發(fa)生體兩(liǎng).側交替(tì)👈地❗産🌍生(sheng)有規則(ze)的旋渦(wō),這種在(zai)旋渦發(fa)生體🏃🏻下(xia)遊非對(dui)✨稱排列(lie)的💃🏻旋渦(wo)🆚列即卡(kǎ)門渦街(jiē)。根據卡(ka)門渦街(jie)原🐆理,旋(xuan)渦頻率(lü)ƒ有如下(xia)關系式(shì):
 
　　式中:ƒ爲(wèi)旋渦頻(pín)率,Hz;Sr爲斯(si)特勞哈(hā)爾數,無(wu)量綱,與(yu)旋渦發(fa)生❤️體形(xíng)狀🚩及雷(léi)諾數Re有(yǒu)關,在Re=2×104-7x106範(fan)圍内可(kě)視爲常(cháng)數，例如(ru)三角柱(zhù)發生體(tǐ)🈲的斯✉️特(tè)勞哈爾(ěr)數爲Sr=0.16;V爲(wèi)測量管(guǎn)内被測(cè)介質的(de)平均流(liu)速，m/s;m爲發(fā)生體兩(liang)側弓形(xing)流通💘面(mian)積之和(he)與測量(liang)管的橫(heng)街面積(jī)之比,計(ji)🌐算如下(xià):
 
　　式中:D爲(wei)渦街流(liu)量計管(guan)道口徑(jing),m;d爲旋渦(wō)發生體(tǐ)迎流面(mian)寬度,m,對(dui)于三角(jiǎo)柱發生(shēng)體而言(yán),d=0.28D。
　　渦街流(liu)量計的(de)儀表系(xi)數K:
 
　　式中(zhōng):K爲渦街(jiē)流量計(ji)儀表系(xì)數,m-3;qv爲管(guǎn)道内被(bei)測介質(zhì)的體積(jī)流量,m³/s。
　　可(ke)見儀表(biǎo)系數K與(yǔ)旋渦發(fā)生體、管(guan)道的幾(ji)何尺寸(cun)及斯特(tè)勞💚哈爾(ěr)數Sr有關(guan)。但在Sr可(kě)視爲常(chang)數的雷(léi)諾數範(fan)圍内,K就(jiù)隻與旋(xuán)❤️渦發💃🏻生(sheng)體✏️形狀(zhuàng)和管道(dào)幾何尺(chǐ)寸有關(guān),因此渦(wō)街流量(liàng)計輸出(chū)的脈沖(chong)頻率信(xin)号不受(shou)流🔴體物(wù)性和組(zu)分變化(hua)的影響(xiang)，隻要正(zhèng)确測得(dé)旋渦頻(pin)☀️率ƒ,就可(kě)正确得(de)知被測(cè)流體的(de)流速U和(hé)體積流(liu)量qv,給😘.信(xin)号的測(cè)量提供(gòng)了依據(ju)。
2.2低溫渦(wō)街流量(liàng)與頻率(lü)特性
　　圓(yuan)管傳輸(shu)流體的(de)雷諾數(shù)Re爲:
 
　　式中(zhōng):ν爲流體(ti)運動黏(nián)度,m/s。
　　渦街(jiē)流量計(ji)測量液(ye)體的最(zui)低流速(sù)一般≥0.3m/s,最(zuì)大流速(sù)應🥰≤7m/s。以💘口(kǒu)徑✂️100mm的渦(wō)街流量(liang)計爲例(lì)，在測量(liàng)液氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時(shí),其雷諾(nuo)數Re的上(shang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下限爲(wei):1.53x105≤Re≤3.58x106，滿足斯(si)特勞哈(ha)爾數Sr可(kě)視爲常(cháng)數🔅的雷(lei)諾數範(fàn)圍。因此(ci),渦街流(liú)量計的(de)特性在(zai)原理上(shàng)♊也可以(yi)适用于(yu)液氮的(de)低溫工(gong)況流量(liang)測量。
　　依(yi)據式(3)可(kě)以計算(suan)出口徑(jing)100mm的渦街(jie)流量計(jì)的儀表(biǎo)系☔數K=1123m-3.
3低(di)溫渦街(jie)的流場(chǎng)仿真模(mó)型建立(lì).
3.1FLUENT在渦街(jie)仿真中(zhong)的應用(yong)
　　計算機(jī)高性能(néng)運算的(de)不斷提(ti)高使計(jì)算流體(tǐ)力學(CFD)技(ji)術更加(jiā)實用,越(yuè)來越完(wán)善的流(liú)體計算(suàn)模型開(kai)始✌️被商(shang)業化的(de)CFD軟件所(suo)采用，如(ru)FLUENT集成了(le)衆多湍(tuān)流模型(xíng)、LES模型JDES模(mo)型、化學(xué)反應模(mo)型、多相(xiàng)流模型(xing)等研究(jiū)成果。近(jìn)年，在渦(wō)街流量(liàng)計設計(jì)和優化(hua)中,越來(lái)越多的(de)采用了(le)FLUENT等CFD軟件(jiàn)進行數(shu)值仿真(zhen),大大節(jiē)省了開(kai)發成本(ben)和周期(qī),并且對(duì)其内部(bù)流場有(you)了更加(jia)深刻和(hé)直觀的(de)理解。
　　通(tong)過兩維(wei)渦街流(liú)場的仿(páng)真,研究(jiū)了雷諾(nuò)數和剪(jian)切率對(duì)渦結構(gòu)的影響(xiang)。通過FLUENT對(dui)渦街流(liú)量計流(liu)場進行(háng)了數值(zhi)仿真,據(ju)此優💋化(huà)設計渦(wo)街流量(liang)計結構(gòu)，選取取(qǔ)壓位置(zhì)。研究㊙️旋(xuán)渦發🥵生(shēng)體前後(hòu)壓差與(yǔ)流速之(zhī)間的關(guan)系，提出(chū)了利用(yong)單一差(cha)壓🤞傳感(gǎn)器測量(liang)質量流(liú)📱量的新(xīn)方法。通(tōng)過FLUENT對梯(tī)形發生(shēng)體與T形(xing)發生體(tǐ)的渦街(jiē)流場進(jin)行模拟(ni)對比研(yán)究,并得(de)到了檢(jian)測點位(wèi)置。以上(shàng)研究者(zhě)的工作(zuò)表明🌈,利(lì)用FLUENT仿真(zhen)💃🏻能夠較(jiào)真實的(de)🛀🏻反映渦(wō)街流量(liàng)計的内(nèi)部流場(chǎng)特性,在(zai)渦街流(liu)量計的(de)開發過(guo)程中扮(ban)演越來(lai)越重要(yào)的角色(sè)。
3.2建模與(yǔ)網格劃(hua)分
　　渦街(jie)流量計(jì)的二維(wéi)仿真結(jié)構模型(xing)如圖1所(suo)示,管道(dao)口徑爲(wèi)D=100mm,三角柱(zhu)旋渦發(fā)生體迎(yíng)流面寬(kuan)度d=28mm,頂角(jiǎo)θ=19°,符合該(gāi)管🔞道口(kou)徑下的(de)行業标(biāo)準。渦街(jie)流量計(ji)的網格(ge)劃分采(cǎi)用四邊(bian)形結構(gou)化💚網格(gé),根👨‍❤️‍👨據區(qu)域☂️的不(bú)規則程(cheng)📞度和流(liu)場的複(fu)雜程度(dù)對不同(tóng)👈子區域(yù)進💛行分(fen)别劃分(fen)。
 
3.3求解條(tiáo)件設置(zhì)
　　爲了能(néng)夠計算(suan)得到流(liú)場的正(zheng)确解,必(bi)須給定(dìng)合理的(de)邊界條(tiao)件和流(liu)體物性(xing),并選擇(ze)合适的(de)求解器(qi)和計算(suàn)模型。渦(wō)街流場(chang)爲非定(dìng)常流動(dong)，雷諾數(shu)較高,對(duì)渦街流(liú)場仿真(zhēn)的求解(jie)條件如(rú)表1設置(zhi)。
 
4仿真結(jie)果分析(xi)
4.1低溫渦(wo)街的形(xing)成過程(chéng)
　　圖2表示(shì)了一個(ge)旋渦形(xíng)成周期(qi)T内不同(tong)時刻的(de)渦街二(èr)維流場(chang)圖,直觀(guān)反映了(le)渦街的(de)形成、脫(tuō)落過程(chéng)。可以看(kàn)到邊🏃‍♂️界(jie)層在渦(wō)街發🧑🏽‍🤝‍🧑🏻生(sheng)體的兩(liang)側平行(hang)棱邊開(kai)始減速(su)增壓運(yùn)動,并伴(ban)🔴有倒流(liú)現象。倒(dǎo)流沿着(zhe)壁面♍向(xiàng)後伸展(zhan)使邊界(jie)層明顯(xian)增厚,同(tong)時旋渦(wo)的尺寸(cun)不斷增(zeng)大。當旋(xuan)渦增加(jiā)到一定(dìng)程度後(hòu),就從發(fā)生體上(shàng)📐脫落分(fen)離，随着(zhe)流體向(xiàng)下遊運(yun)動,形成(cheng)振蕩尾(wei)流。在旋(xuán)渦的中(zhong)心形成(cheng)低壓區(qu)👌,會随着(zhe)旋渦的(de)交替産(chan)生和脫(tuō)落過程(chéng),在流場(chang)中形成(chéng)周期性(xìng)變化的(de)壓力場(chǎng),壓力場(chǎng)的變化(huà)頻率與(yu)旋渦脫(tuo)落頻率(lǜ)--緻。壓電(dian)式渦街(jiē)流量計(jì)即是通(tong)過檢測(cè)流場内(nèi)振蕩尾(wei)流中特(tè)定點處(chù)的壓力(lì)變化頻(pin)率來測(ce)定流速(sù)。
 
4.2低溫渦(wo)街仿真(zhēn)結果正(zhèng)确率驗(yan)證
　　由于(yú)低溫渦(wo)街試驗(yàn)條件受(shou)限,低溫(wen)渦街仿(páng)真結果(guǒ)🙇🏻和理論(lùn)計算🔅值(zhi)與相同(tong)結構尺(chǐ)寸的常(cháng)溫渦街(jie)流量計(jì)在🛀水介(jie)質中的(de)校驗數(shù)據進行(háng)比對。如(rú)圖3所示(shì),試‼️驗與(yǔ)仿👨‍❤️‍👨真曲(qǔ)線的線(xiàn)性度都(dou)很好，而(ér)且低溫(wen)介質與(yǔ)常溫介(jie)質的數(shù)據比較(jiao)一緻,驗(yan)🏃‍♂️證了斯(si)特勞哈(hā)爾數🈲St與(yǔ)儀表系(xì)數K不随(suí)介質與(yu)溫度影(ying)響的特(te)性。分析(xi)結🚶‍♀️果可(ke)知:渦街(jie)流量計(jì)儀表系(xì)數的試(shì)驗值與(yǔ)理論計(ji)算值之(zhī)間的相(xiàng)對誤差(cha)在💁3%之内(nèi);仿真⛹🏻‍♀️值(zhí)與試驗(yàn)值之㊙️間(jian)的相對(duì)誤差在(zai)5%之内,說(shuō)明所采(cai)取的💯仿(páng)真方法(fa)比✍️較正(zhèng)确,驗證(zhèng)了FLUENT數值(zhi)仿真技(ji)術用于(yu)低溫渦(wō)街👄流量(liàng)計流場(chang)仿真的(de)可行性(xìng)。
 
4.3低溫渦(wō)街與常(chang)溫渦街(jie)的流場(chǎng)分布對(dui)比
　　圖4比(bǐ)較了低(di)溫渦街(jie)與常溫(wēn)渦街的(de)流場分(fèn)布,由于(yú)液氮的(de)粘度比(bi)水低很(hěn)多,流體(tǐ)内部的(de)分子間(jiān)引力和(he)碰撞較(jiào)弱，流💋體(tǐ)間的相(xiàng)💯對運動(dòng)阻力較(jiao)大，造成(cheng)低溫渦(wō)街🍓的流(liú)場♉中速(sù)度梯度(dù)較大,表(biǎo)現爲旋(xuan)渦尺寸(cun)比常溫(wen)工況下(xià)的旋渦(wo)小。因此(ci)，相比常(chang)溫🙇‍♀️下壓(ya)電傳感(gan)器的安(ān)置位置(zhi)而言，檢(jiǎn)測振蕩(dàng)尾流中(zhong)旋渦列(lie)的低溫(wēn)渦街的(de)🤩傳感器(qì)就要更(gèng)靠近渦(wo)街發生(shēng)體,這在(zai)設計低(dī)溫渦街(jie)流🙇‍♀️量計(ji)時必須(xu)特殊考(kao)慮。
　　能量(liàng)的相對(duì)集中導(dǎo)緻了壓(yā)力梯度(du)(主要爲(wei)動壓)也(ye)比較❗大(da)。但🌈必☀️須(xu)注意到(dao)，在旋渦(wo)發生體(tǐ)前後的(de)壓差使(shǐ)液體介(jiè)質釋放(fàng)出🤟氣體(tǐ)而在渦(wō)街發生(sheng)體末端(duan)附近産(chǎn).生空穴(xué),這在低(dī)溫工況(kuàng)下尤爲(wei)嚴重。因(yin)此,必須(xū)在渦街(jiē)流🔞量計(jì)下遊設(she)置背壓(ya)以避免(mian)空化現(xian)象的影(yǐng)響。同時(shí)也說明(míng)了采用(yong)安置在(zai)渦街發(fa)生體上(shang)測量交(jiao)變壓差(cha)或🔴壓力(li)脈動的(de)測量方(fang)法,并不(bu)适用于(yu)☂️低溫工(gōng)況下的(de)渦街信(xin)号🐆檢測(ce)。
5結論
(1)通(tōng)過對低(dī)溫渦街(jie)流場的(de)CFD仿真模(mó)拟,圖示(shì)了低溫(wēn)渦📞街的(de)形成🌏和(hé)脫落過(guo)程,便于(yu)更好地(dì)分析和(hé)理解渦(wo)街特性(xing)。
(2)分析渦(wo)街流量(liàng)計儀表(biǎo)系數的(de)理論計(ji)算數據(jù)、試驗數(shu)⛱️據與仿(pang)真數據(ju),驗證了(le)将FLUENT數值(zhi)仿真技(ji)術用于(yú)渦街流(liu)量計内(nei)部流場(chǎng)分析🚶‍♀️的(de)有效性(xìng),可以作(zuò)爲渦街(jiē)流量計(ji)的優化(hua)設計的(de)理論指(zhǐ)導依據(jù)。
(3)對低溫(wen)渦街和(he)常溫渦(wō)街的流(liú)場分布(bu)進行對(duì)比,從⛷️低(di)黏度流(liú)體介質(zhì)物性的(de)角度解(jie)釋了低(di)溫渦街(jie)流場的(de)特殊性(xing),并對低(dī)🌈溫渦街(jie)壓電傳(chuán)感器位(wèi)置設置(zhì)提出了(le)有益建(jiàn)🔞議。

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