渦街流量計(jì)內(nèi)壁面壓力分布的數(shù)值

發(fā)布時(shí)間：2022-11-14

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一、引言

渦街流量計(jì)是近年發(fā)展勢(shì)頭良好優(yōu)點(diǎn)突出的一類新型流量測(cè)量裝置。它利用在特定的流動(dòng)條件下的流體部分動(dòng)能產(chǎn)生流體振動(dòng)，且振動(dòng)頻率與流量成正比這一特征關(guān)系來(lái)進(jìn)行工作。只要采用合適的檢測(cè)方法從與渦街脫落相伴的周期振動(dòng)的流速、壓力中提取出頻率，那么，就可以得到管道內(nèi)被測(cè)流體的流量值川。渦街流量計(jì)的性能在很大程度上受到渦街流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部參數(shù)的時(shí)空分布的影響。因此，研究渦街流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)特性對(duì)優(yōu)化其測(cè)量性能具有十分重要的意義。

由于旋渦發(fā)生體的阻流作用，渦街在管道內(nèi)的流動(dòng)是強(qiáng)烈的非線性時(shí)變湍流，難以解析地求得流場(chǎng)分布情況，所以，至今人們對(duì)旋渦發(fā)生體后旋渦形成和脫落過(guò)程的認(rèn)識(shí)幾乎全部依賴于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值方法基礎(chǔ)上的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為人們研究復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題提供了一種有效的解決方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法和圖像顯示技術(shù)，可以得到在時(shí)間和空間上定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解。

目前，人們對(duì)渦街流場(chǎng)的數(shù)值模擬逐漸從二維過(guò)渡到和渦方法等。國(guó)內(nèi)外研究人員采用了各種數(shù)值算法對(duì)不同形狀旋渦發(fā)生體在不同雷諾數(shù)下進(jìn)行了模擬計(jì)算?？傮w上說(shuō)來(lái)，在雷諾數(shù)較小時(shí)，數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際情況符合較好，但是，在雷諾數(shù)較大時(shí)，各種因素對(duì)渦街的影響十分復(fù)雜，數(shù)值模擬的結(jié)果還不盡如人意，許多問(wèn)題還待于進(jìn)一步深入研究。

本文利用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)軟件FUENT及其前處理軟件GAMBII對(duì)渦街流量計(jì)內(nèi)壁面壓力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，目的在于獲得關(guān)于渦街流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的定性或半定量的認(rèn)識(shí)，為優(yōu)化渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)量性能提供有益的參考。

二、計(jì)算域和網(wǎng)格

在模擬過(guò)程中，渦街流量計(jì)的計(jì)算域簡(jiǎn)化為具有圓形進(jìn)出口邊界的軸對(duì)稱三維幾何模型，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在旋渦發(fā)生體迎流面的中心，如圖1所示。管道內(nèi)徑為50mm，旋渦發(fā)生體為梯形柱體，迎流面寬度為14mm，圖1給出了：=0截面(=軸方向垂直紙面向外)管道和旋渦發(fā)生體的二維計(jì)算域及其網(wǎng)格的示意圖。為了真實(shí)地模擬實(shí)際流動(dòng)狀況，利用GAMBI****了非結(jié)構(gòu)化的三角網(wǎng)格。由于旋渦發(fā)生體附近流場(chǎng)變化劇烈，因此，對(duì)其周圍的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理。不同流速的流動(dòng)情況通過(guò)改變?nèi)肟谒俣葋?lái)模擬。各求解變量收斂殘差值設(shè)置為1x105。入口邊界設(shè)置為沿管道軸向均勻速度入口，其他方向速度均為0。出口邊界設(shè)置為壓力出口,壓力出口處的表壓為0。管道和旋渦發(fā)生體均設(shè)置為固體，并且壁面處無(wú)滑移。

三、控制方程和計(jì)算參數(shù)

與其他流動(dòng)過(guò)程相同，渦街流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型也是建立在質(zhì)量守恒定律上的連續(xù)方程、動(dòng)量守恒定律上的運(yùn)動(dòng)方程和熱力學(xué)**定律上的本構(gòu)方程基礎(chǔ)上的。綜合考慮仿真精度和計(jì)算成本，采用RNGke兩方程模型。

雷諾平均NavierSlokes方程組為

式中：μ為流體動(dòng)力粘度；μt為流體湍動(dòng)粘度；δtf為Koneck符號(hào)；k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能。

式中：Gk為湍流動(dòng)能生成項(xiàng)；Gb為湍流動(dòng)能擴(kuò)散項(xiàng)；ε為流體脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率；YAT為湍流動(dòng)能耗散項(xiàng)；αk,αs分別為kε的逆有效普朗特?cái)?shù)；Sk,S為自定義源項(xiàng)。

有效粘度公式為

四、結(jié)果分析

圖2給出了介質(zhì)為水、入口速度為15m.s1時(shí)的渦街流場(chǎng)中靜壓和動(dòng)壓的分布情況。其他介質(zhì)和入口速度時(shí)的計(jì)算結(jié)果相似。可以看出:旋渦從渦街發(fā)生體兩側(cè)交替脫離形成渦街，分離點(diǎn)在梯形柱的銳邊上。流體流過(guò)旋渦發(fā)生體后，旋渦在向下游運(yùn)動(dòng)的同時(shí)旋渦強(qiáng)度也逐漸由強(qiáng)變?nèi)酢Ｏ鄳?yīng)的，靜壓和動(dòng)壓也都是在旋渦發(fā)生體附近較強(qiáng)，在向下游運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中強(qiáng)度也逐漸減弱。顯然，旋渦的周期性變化使流場(chǎng)內(nèi)各種參數(shù)都隨之發(fā)生交替的波動(dòng)，因此，通過(guò)檢測(cè)渦街尾流中周期變化的某一參數(shù)可以獲取渦街流動(dòng)特征。由于動(dòng)壓的檢測(cè)比較困難，需要將測(cè)量件伸入管道內(nèi)，因此，不適宜作為反映渦街特性的被測(cè)特征參數(shù)。而管壁處?kù)o壓的測(cè)量相對(duì)來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單容易得多，取壓裝置垂直于流動(dòng)方向且位于管壁上，同時(shí)其值只需采用普通的動(dòng)態(tài)壓力傳感器即可測(cè)得。

為了定量比較渦街流場(chǎng)空間中不同位置處?kù)o壓的大小，圖3給出了靜壓在計(jì)算域中平行流向的x=0，y=245mm和垂直流向的y=0，x=25mm兩條直線上的計(jì)算結(jié)果?？梢钥吹?，渦街流場(chǎng)中靠近旋渦發(fā)生體管壁處的靜壓有較明顯的波動(dòng)，沿流動(dòng)方向靜壓在0~50mm區(qū)間內(nèi)波動(dòng)明顯、幅度較大，即在距離旋渦發(fā)生體一定范圍內(nèi)，越靠近旋渦發(fā)生體，靜壓幅度越大；而在垂直流動(dòng)方向上管道內(nèi)壁處的靜壓也具有較大的幅度。圖4給出了計(jì)算域中:=0平面上一對(duì)軸對(duì)稱管壁處監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1(10,245,0)和Pi(10,24.5,0)靜壓的計(jì)算值。從圖中可以看出：管壁處軸對(duì)稱的2點(diǎn)靜壓波動(dòng)的幅度和頻率相等而相位相反，因此，若在靠近旋渦發(fā)生體的軸對(duì)稱管壁上設(shè)置兩個(gè)取壓點(diǎn)測(cè)量差壓則可構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，獲得的信號(hào)更強(qiáng)便于檢測(cè)，通過(guò)測(cè)得的靜壓差可以檢測(cè)管內(nèi)渦街流動(dòng)特性。

五、結(jié)束語(yǔ)

1)流體流過(guò)旋渦發(fā)生體后，旋渦在向下游運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，旋渦強(qiáng)度逐漸由強(qiáng)變?nèi)?，旋渦的周期性變化使流場(chǎng)內(nèi)靜壓和動(dòng)壓等各種參數(shù)都隨之發(fā)生交替的波動(dòng);

2)渦街流量計(jì)中靠近旋渦發(fā)生體的壁面靜壓有較明顯的波動(dòng)，在距離旋渦發(fā)生體定范圍內(nèi)，越靠近旋渦發(fā)生體，壁面靜壓幅度越大，而在對(duì)稱于管道軸線的位置，壁面靜壓幅度相等而相位相反。

總之，渦街流量計(jì)內(nèi)壁面壓力可以較好地表征渦街脫落的過(guò)程，通過(guò)采用合適的檢測(cè)和信號(hào)處理方法可以使人們從多個(gè)角度來(lái)提取渦街特性。并且，關(guān)于渦街流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的定性或半定量的認(rèn)識(shí)將有助于優(yōu)化渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其測(cè)量性能。