蒸(zheng)汽作爲(wèi)一種重(zhòng)要的二(èr)次清潔(jié)能源，在(zài)電廠、石(shí)油化工(gōng)、食🚶‍♀️品、機(jī)械加工(gong)等工業(yè)生産領(lǐng)域和人(ren)民的日(rì)常生活(huo)中占據(ju)了越來(lái)越重要(yao)的地位(wèi)。爲了提(tí)高蒸汽(qì)的計📱量(liang)水平，标(biao)準孔闆(pan)、噴嘴以(yǐ)及渦街(jiē)流量計(ji)等多種(zhǒng)類型的(de)蒸汽儀(yi)表，而在(zai)衆多類(lei)型蒸汽(qi)儀表中(zhong)，渦街流(liu)量計以(yi)其結構(gou)簡單、測(ce)量範圍(wei)寬、壓損(sǔn)小☎️、測量(liàng)時無可(ke)動件等(deng)優點在(zài)蒸汽計(jì)量中得(dé)到快速(sù)的推廣(guǎng)和使用(yòng)。
1 渦街流(liu)量計
　　渦(wo)街流量(liang)計 ( 又稱(cheng)旋渦流(liú)量計) 是(shi)根據 “卡(ka)門渦街(jie)”原理研(yan)❄️制成的(de)流體振(zhen)蕩式流(liú)量測量(liang)儀表。所(suo)謂 “卡門(mén)渦街”現(xiàn)象就是(shì)😍在測量(liang)管道流(liú)動的流(liu)體中插(cha)入一根(gen) ( 或多根(gen)) 迎流面(mian)爲非流(liú)線型的(de)旋渦發(fā)生體，當(dāng)雷諾數(shù)達到一(yī)定值時(shi)，從旋渦(wō)發生體(tǐ)下遊💃🏻兩(liǎng)側交替(ti)地分離(li)釋放㊙️出(chu)兩串規(gui)則的交(jiāo)錯排列(lie)的旋渦(wo)，這種旋(xuan)渦稱爲(wei)卡門📧渦(wo)街。在一(yī)定雷諾(nuò)數範圍(wei)内，旋✍️渦(wo)的分離(lí)頻率與(yu)旋渦🛀🏻發(fa)生體的(de)幾何尺(chi)寸、管道(dào)的幾何(hé)尺🐅寸有(you)關，旋渦(wō)的頻🌏率(lü)正比于(yu)管道流(liu)體流量(liang)，并可由(yóu)各種型(xing)🔴式的傳(chuan)感器檢(jiǎn)出，渦街(jie)流量計(ji)工作原(yuán)理如圖(tu) 1 所示。

卡門渦(wō)街頻率(lǜ)計算公(gōng)式爲:

　　式(shi)中: f 爲旋(xuan)渦頻率(lü); Sr爲斯特(tè)勞哈爾(ěr)數; m 爲旋(xuan)渦發生(shēng)體🌈兩側(cè)弓‼️形面(miàn)積與管(guǎn)道橫截(jié)面面積(ji)之比，不(bu)可壓縮(suō)✂️流體中(zhōng)，由于流(liu)體密度(du) ρ 不變，由(yóu)連續性(xìng)方程可(ke)得到 m = U/U1。

　　不(bú)同介質(zhì)對渦街(jie)流量計(jì)性能的(de)影響最(zuì)終體現(xiàn)在儀🐉表(biao)🌍系數的(de)差異上(shàng)，所以本(ben)文使用(yong) Fluent 軟件建(jian)立渦街(jiē)流量💯計(ji)的幾何(he)模型，然(rán)後對不(bú)同介質(zhi)下的流(liú)場進行(hang)仿真⛱️分(fen)析，并仿(páng)真得✉️到(dao)不同介(jie)質下的(de)儀表系(xì)數，最終(zhōng)通過💃🏻實(shi)驗驗證(zheng)得到空(kong)氣和水(shuǐ)作爲替(tì)代介質(zhi)導緻的(de)與蒸汽(qi)實流标(biāo)定得到(dao)的儀表(biǎo)系的差(cha)異。
2 仿真(zhēn)模型與(yu)條件的(de)設定
2. 1 仿(pang)真模型(xing)
　　選擇 DN100 口(kǒu)徑的渦(wō)街流量(liang)計進行(háng)研究，利(li)用 Gambit 軟件(jian)建立渦(wō)街流✊量(liàng)計幾何(he)模型并(bìng)劃分網(wang)格，渦街(jie)流量計(ji)發生體(ti)橫截面(mian)網格如(ru)圖 2 所示(shi)。

　　爲(wèi)了提高(gao)計算效(xiao)率，渦街(jiē)發生體(tǐ)處重點(diǎn)加密，其(qi)他區域(yu)适當的(de)稀疏。從(cong)圖 2 可以(yi)看出，渦(wō)街發生(shēng)體所處(chu)流場網(wang)格均勻(yún)加密㊙️。通(tōng)過加密(mì)畫法，靠(kào)近渦街(jiē)發生🔴體(tǐ)的橫截(jié)面網🧡格(ge)較密，遠(yuan)離渦街(jiē)發生☂️體(tǐ)而靠近(jìn)管壁的(de)網格較(jiào)稀疏。
2. 2 仿(pang)真條件(jiàn)設定
　　仿(pang)真選擇(ze)三種流(liu)體材質(zhi)，分别爲(wei)空氣和(he)蒸汽兩(liang)種💜可壓(ya)縮流體(ti)以及不(bu)可壓縮(suo)的水，在(zài) Fluent 中空氣(qì)和蒸汽(qì)材質🔴通(tong)過💃🏻設定(dìng)♌氣體的(de)密度選(xuǎn)項來實(shi)現。對于(yú)不可壓(ya)縮流體(ti)選擇㊙️的(de)密度爲(wei)常數🐪; 空(kong)氣介質(zhì)選擇默(mò)認密度(du) 1. 225 kg/m3，其密度(du)設定爲(wei)理想氣(qi)體，在叠(die)代計✨算(suàn)的過程(chéng)中，根據(jù)氣體狀(zhuang)态方程(chéng)壓強的(de)變化修(xiu)🔞正流體(ti)的密⛹🏻‍♀️度(dù); 蒸汽介(jiè)質的密(mi)度根據(jù)IF － 97 公式❄️，利(lì)用 UDF 編程(cheng)設置。
仿(pang)真模型(xíng)選擇 ＲNG k － ε 雙(shuang)方程湍(tuan)流模型(xing)，該模型(xíng)可以很(hen)好地處(chu)理高❗應(ying)🛀變率以(yi)及流線(xian)彎曲程(cheng)度較大(da)的流體(tǐ)📱流動，非(fēi)常适合(hé)♻️具有旋(xuan)渦脫落(luò)現象的(de)渦街流(liú)場仿真(zhen)［8］。
3 流場仿(páng)真分析(xi)
　　根據公(gong)式 ( 1) 可知(zhī)，影響渦(wo)街流量(liàng)計旋渦(wō)頻率的(de)是發生(shēng)體兩🌏側(ce)的流速(sù) U1和發生(sheng)體的結(jié)構，由于(yú)發生體(tǐ)結構尺(chi)寸是☎️固(gu)定的，因(yin)此頻🔆率(lü)隻與 U1相(xiang)關，需要(yao)觀測在(zài)相同入(rù)口流速(su) U 的條件(jian)下 U1變化(hua)來得到(dao)頻率的(de)變化，而(er)速度的(de)變化必(bi)然會導(dao)緻流💞體(ti)密度的(de)變化，因(yin)此✏️可觀(guan)測發生(shēng)體兩側(ce)的密度(du)雲圖，來(lai)判斷可(ke)壓縮性(xing)對渦街(jie)流量計(jì)流速 U1的(de)影響，通(tong)過仿真(zhēn)得到如(ru)💁圖 3 ( a) 所示(shì)的不可(ke)🙇🏻壓縮流(liu)體發生(shēng)體兩側(cè)的密度(dù)雲圖和(hé)如圖㊙️ 3 ( b) 所(suo)示的可(ke)壓縮流(liu)體發生(sheng)體兩側(cè)的密度(du)雲圖。

　　由(yóu)圖 3 可以(yǐ)看出，不(bu)可壓縮(suo)流體的(de)密度在(zài)仿真過(guo)程中沒(mei)有發生(sheng)變化，可(kě)壓縮流(liu)體的密(mì)度發生(sheng)了變化(hua)，必然會(huì)導緻兩(liang)側速度(dù) U1的變化(huà)。可壓縮(suo)流體經(jing)過發🈲生(shēng)體後密(mi)度變🤟小(xiǎo)會導📱緻(zhì) U1變大。
　　根(gēn)據圖 3 得(de)到的結(jie)論，對渦(wō)街流量(liang)計進行(háng)蒸汽、空(kōng)氣和水(shui)三種介(jie)質下的(de)軟件仿(páng)真，設置(zhi)三種介(jie)質的入(ru)口流速(su)均爲 50 m/s，取(qǔ)♊渦街發(fa)生體迎(ying)流面側(ce)棱中點(diǎn)與管壁(bì)連線☁️，如(ru)圖 2 中💃🏻線(xian)段 ab所🌈示(shi)。取該線(xian)上的速(sù)度值，将(jiang)蒸汽、空(kong)氣和水(shuǐ)三種介(jie)質下的(de)速📧度曲(qǔ)線進行(hang)比較，結(jie)果如圖(tu) 4所示。

　　從(cóng)圖 4 中可(kě)以看出(chū)，在靠近(jìn)渦街發(fā)生體的(de)位置，可(kě)壓縮❤️流(liu)體流速(sù)明顯大(da)于不可(ke)壓縮流(liu)體流速(sù)，且空氣(qì)的流💃速(su)要大于(yú)蒸汽介(jie)質的流(liú)速。因此(ci)空氣介(jie)質受氣(qi)體可🏃壓(ya)縮性的(de)影響較(jiào)大。
　　渦街(jiē)流量計(jì)的計量(liàng)性能最(zuì)終反映(yìng)到儀表(biǎo)系數上(shàng)💰，渦街🌐流(liú)量計兩(liang)側的旋(xuán)渦頻率(lü)決定了(le)儀表系(xi)數的大(da)小，圖 5 爲(wèi)仿真得(dé)到的渦(wo)✨街流量(liàng)計渦流(liu)流場靜(jìng)壓雲圖(tú)。從🧑🏾‍🤝‍🧑🏼圖中(zhong)可以看(kan)出兩個(ge)明顯的(de)脫落旋(xuán)渦。圖中(zhōng)📧 A 區域靜(jing)壓大，B 區(qu)域靜壓(yā)小。靜壓(ya)☎️最小的(de)位置是(shi) C 處，也就(jiu)是脫落(luo)旋渦的(de)渦心位(wèi)🌈置。檢測(ce)渦街發(fā)生體下(xià)遊 1D 處的(de)靜壓變(biàn)化💚得到(dao)如圖 6 所(suǒ)示的靜(jing)壓變化(hua)圖。

　　對(duì)圖 6 中靜(jìng)壓數值(zhí)進行快(kuai)速傅立(li)葉變換(huàn)，得到如(ru)圖 7 所示(shì)的㊙️三種(zhong)介質下(xia)的旋渦(wo)脫落頻(pin)率圖。
通(tōng)過讀取(qu)圖 7 三種(zhǒng)介質旋(xuán)渦脫落(luò)頻率圖(tú)最高

點的(de)頻率，可(ke)以得到(dào)空氣介(jiè)質的旋(xuan)渦脫落(luo)頻率爲(wèi)🌈1 595 Hz，蒸汽介(jie)質的旋(xuan)渦脫落(luò)頻率爲(wèi) 1 579 Hz，水介質(zhì)的旋渦(wo)脫落👣頻(pín)率爲1 559 Hz。代(dài)入公☂️式(shì) ( 1)可以發(fa)現，渦街(jiē)流量計(ji)在相同(tong)管道直(zhí)徑相同(tóng)入口速(sù)度的情(qing)況🧑🏾‍🤝‍🧑🏼下在(zai)水介質(zhi)中得到(dào)的儀表(biǎo)系👄數最(zuì)小、蒸汽(qi)次之、空(kōng)氣最大(da)。說明空(kong)氣受氣(qi)體介質(zhì)的可壓(yā)縮性影(ying)響大，在(zai)發生體(tǐ)兩側的(de)密度變(biàn)化率較(jiào)🥵蒸㊙️汽要(yào)大。
4 實驗(yàn)驗證
　　爲(wei)驗證仿(pang)真分析(xi)得到的(de)結論，利(lì)用負壓(ya)法音速(sù)噴🈲嘴氣(qì)體流量(liang)計量标(biāo)準裝置(zhi)、蒸汽實(shí)流計量(liàng)标準裝(zhuāng)置和水(shuǐ)流⭕量計(jì)量标準(zhun)裝置對(duì)該結構(gou)類型的(de)渦街流(liu)量計進(jìn)行三種(zhǒng)介質的(de)實驗研(yán)究，各測(ce)試條件(jian)參🙇🏻數如(rú)表 1 所示(shi)。

在上述(shù)實驗條(tiao)件下得(de)到三種(zhǒng)标準計(ji)量裝置(zhì)的儀表(biǎo)🈲系數，實(shí)驗結果(guo)如圖 8 所(suǒ)示。

　　由圖 8 可(ke)看出，在(zài)實驗過(guo)程中，空(kong)氣與水(shui)的儀表(biǎo)系數與(yu)仿真分(fèn)析💞基本(ben)相符，但(dan)蒸汽介(jie)質的儀(yi)表系數(shu)要小，這(zhe)主要🐉是(shi)因爲蒸(zheng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻汽介✍️質(zhi)的高溫(wen)使發生(sheng)體的幾(jǐ)⭐何尺寸(cun)發生變(biàn)化導緻(zhì)的儀表(biao)系數的(de)改變。
根(gen)據經驗(yàn)公式 ( 4) :

　　由(yóu)公式 ( 4) 可(ke)以知道(dào)随着溫(wen)度的升(shēng)高，儀表(biao)系數會(hui)減小，因(yin)此㊙️就出(chu)現了圖(tú) 8 所示實(shí)驗數據(jù)與圖 7 仿(pang)真頻率(lü)計算出(chu)的儀表(biao)系數的(de)微小差(cha)異。
5 結論(lùn)
　　利用 Fluent 軟(ruǎn)件實現(xian)了渦街(jiē)流量計(jì)在不同(tong)介質下(xia)的流場(chǎng)仿真，根(gen)據卡門(men)渦街的(de)産生機(jī)理，對比(bǐ)分析了(le)空氣、蒸(zhēng)汽和水(shuǐ)三種不(bu)同介♊質(zhì)條件下(xia)的流場(chǎng)，仿真結(jie)果表明(míng)随着可(ke)壓縮性(xìng)的增強(qiang)，渦街流(liú)量計的(de)儀表系(xi)數随之(zhi)變大，因(yin)此在渦(wō)街流量(liang)計的首(shǒu)次或者(zhe)後續檢(jian)定中盡(jin)量采用(yòng)與工況(kuang)相同的(de)介質進(jìn)行标定(dìng)。

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