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涡街流量计对管道内涡街状态的模拟结果与分析

摘要:流量是流体的一种属性。当前,无论是在工业方面,还是在生活方面,流量检测已成为评估的一个重要指标,有着重要意义。涡街流量计是流量仪表不可或缺的一部分,这是由于卡门涡街具有独特的流体振荡特性,且具有众多优势,如精度高、量程范围较宽、结构简单、无可动部件等。对管道内涡街状态进行模拟,建立 3 种基本涡旋发生体模型,利用 ANSYS 进行仿真分析,可为今后流量计的合理结构设计奠定基础。 
引  言:
随着科学技术的飞速发展,流量检测作为测量流体的标准,无论是在工业方面,还是生活方面都有着重要的意义,如工业上用于工业原料流量检测,生活中用于生活用水的流量监测。在流体领域中,卡门涡街独有的流体振荡特性,使其成为流量计仪表当中不可或缺的一部分。卡门涡街具有众多优势,如结构简单、量程范围较宽、精度高、无可动部件等。因此,在全球工业生产领域中,以涡街流量计作为流量测量的手段。 
涡旋流量计因具有宽泛的可测流速范围,被广泛应用于液体、气体和蒸汽的测量领域。在提高石油采收率的系统当中,涡街流量计被用于二氧化碳流量的测量;在半导体产业中,涡街流量计可用于精确测量超纯水蚀刻工艺;在废水处理厂中,可用来测量高腐蚀性酸的流量,如氯化铁、盐酸和氢氧化钠等化学药品的计量也使用涡式流量计。 
 对于涡街流量计,其最重要的就是涡街发生体的结构设计,合理的涡街发生体能产生稳定的涡旋,在一定的流速范围内,涡旋产生频率与流体流速具有良好的线性关系。流量计的量程、精度、敏感度都会受其影响,模拟不同涡街发生体的漩涡状态。 
1、模拟软件及模拟条件:
已知流体经过涡街发生体,会产生涡街现象(见图 1),并且在确定涡街发生体,已知其特征长度 l 的情况下,单侧旋涡的脱离频率 f 与流体流速 v 成正比关系,公式为:     St=fl/v  (1) 式中,St(斯特劳哈尔数)为无量纲常数,f 为单侧漩涡脱离频率,l 为涡街发生体涡街发生体特征长度,v 为管道内流体流速。 
图 1  圆柱发生体产生涡街图 
将实际数据建模,通过计算机模拟找到卡门涡街的基础特性,从而利用数学模型找到哪种涡街发生体有较良好的稳定性。主要采用的模拟软件是 ANSYS内的 ICEMCFD 建模模块、FLUENT 模块和 CFD-POST 显示模块,利用 ANSYS  workbench 将各个模块整合在一起,如图 2 所示。 
图 2  ANSYS workbench模拟模块图 
模拟时主要以 3 个传统的漩涡发生体(圆柱、三角柱、梯形柱)为主要研究对象[5],分析在给定流速范围内哪种涡街发生体拥有较好的流速漩涡脱离频率线性关系,也就是斯特劳哈尔数较为稳定。 
本次模拟采用二维模型的卡门涡街模拟,对 3 种类型涡街发生体(圆柱、三角柱、梯形柱)在不同流速下进行分析。模拟采用水介质,密度为 998.2,kg/m3,
温度为 288.16,K,动力粘度为 0.001,003,Pa·s。 
压力采集点分别位于涡街发生体后 30,mm、40,mm、60,mm 处。 
2、模拟结果与分析 :
经过数据处理得到单侧涡旋脱离周期,并计算得到相应 St(斯特劳哈尔数),如表 1 所示。 
表 1  不同涡旋发生体的涡街状态 
在给定涡街发生体条件下,卡门涡街漩涡脱离频率与流速成反比关系,在一定流速范围内斯特劳哈尔数为常数,约为 0.2,模拟验证了公式(1)。模拟得到监测点位于 30,mm 处横向速度波动较大,特测器位于此位置较好,介质为水的 1,m/s 左右流速下,周期为 10,ms 级。涡街发生体选三角柱体较为稳定。 
基于各个部分已经得到仿真结果,算出 3 种类型涡街发生体的涡街产生效果,三角柱产生的效果较好。考虑计算提高流速的情况是否还能保持稳定,流速增加到了 5,m/s,仍能产生稳定涡旋,周期大约为0.001,s ,计 算 得 到 St = 0.2 ,10,m/s 时 ,周 期 为0.004,8,s,计算得到 St=0.19。由此可见,在提高流速的情况下,三角柱体型涡街发生体仍可以稳定工作,
主要表现在稳定的斯特劳哈尔数值上,基本与理论值0.2 相吻合。 
3、结论:
本文从 3 种基本涡街发生体出发,模拟在相同环境条件下,3 种基本发生体的涡街发生状态,通过仿真得到三角柱体具有更加稳定的斯特劳哈尔稳定数值,在速度为 1,m/s 附近时,计算得到的 St 值变化幅度为 0.01,在此进行进一步仿真,提高三角柱涡街发生体的入口流速至 10,m/s 时,St 值的变化幅度不超过 0.02,仍然具有稳定的 St 值,也就是入口速度与涡旋脱离频率具有良好的线性关系,因此选择三角柱型涡街发生体作为涡街流量计值得进一步研究。