不同安裝條件下渦街流量計(jì)流場特性的數(shù)值仿真研究

摘要：為研究不同管道條件對(duì)渦街流量計(jì)測量結(jié)果及內(nèi)部流場產(chǎn)生的影響，該文針對(duì)2種不同直管段長度時(shí)渦街流量計(jì)的旋渦脫落頻率進(jìn)行仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果顯示仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證數(shù)值仿真用于渦街流量計(jì)流場分析的可行性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)上下游直管段長度不足、上游有單個(gè)90°彎頭、下游有單個(gè)90°彎頭這3種管道條件下共13種不同長度情況對(duì)應(yīng)的渦街流量計(jì)的流場特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明，前端直管段長度的減少對(duì)測量結(jié)果的影響較后直管段更為明顯;信號(hào)強(qiáng)度與直管段長度沒有直接關(guān)系;前端有彎頭時(shí)，頻率值大幅降低，最大誤差達(dá)-60.62%，彎頭離旋渦發(fā)生體越近，降幅越大;后端有彎頭對(duì)測量結(jié)果影響相對(duì)較小，最大誤差為-13.23%。

關(guān)鍵詞：渦街流量計(jì);管道條件;安裝影響;旋渦脫落頻率;流場特性;數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：TB937 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）05-0110-06

收稿日期：2019-01-30;收到修改稿日期：2019-03-12

作者簡介：陳文琳（1988-），女，甘肅武威市人，工程師，博士研究生，研究方向?yàn)楣こ塘黧w力學(xué)。

0 引言

渦街流量計(jì)自20世紀(jì)60年代末開始研制以來，發(fā)展非常迅速，可適用于液體、氣體、蒸汽，是一種比較先進(jìn)、理想的流量儀表[1]。但渦街流量計(jì)尚屬發(fā)展中的流量計(jì)，其理論基礎(chǔ)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均較為缺乏，所以仍需對(duì)渦街流量計(jì)做大量的基礎(chǔ)研究，避免在實(shí)際使用過程中產(chǎn)生一些預(yù)料不到的問題。

渦街流量計(jì)在使用過程中對(duì)所需直管段長度及管壁粗糙度都有一定要求，其校準(zhǔn)結(jié)果及流量的穩(wěn)定性取決于上下游直管段的長度以及節(jié)流部件的組成，只有滿足相應(yīng)的要求，渦街流量計(jì)才能保持相應(yīng)精度[2]。上游彎頭會(huì)使管道中產(chǎn)生不對(duì)稱回旋流，旋渦的存在會(huì)影響取壓口附近壁面的壓力分布，進(jìn)而影響流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果[3]。英國薩里大學(xué)和英國國家工程實(shí)驗(yàn)室[2]、日本國家計(jì)量科學(xué)研究院[4]、天津大學(xué)的鄭丹丹等[5]都分別針對(duì)不同安裝條件下的渦街流量計(jì)測量性能的變化開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)流實(shí)驗(yàn)可以得到一定條件下的具體測量結(jié)果，但卻無法觀察到管道內(nèi)部流場的變化及特性。

用數(shù)值仿真方法研究流體流場能夠?qū)崟r(shí)直觀地觀察到流場的變化，對(duì)研究流場的具體特性具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。近年來，不少學(xué)者利用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)渦街流量計(jì)特性進(jìn)行了大量研究[6-8]。為了準(zhǔn)確獲取渦流發(fā)生器后面渦旋脫落的主要頻率，Jian-LinChen[9]進(jìn)行了一系列數(shù)值試驗(yàn)，以確定管道中的各種人口流動(dòng)條件如何影響特定渦街流量計(jì)中渦流發(fā)生器下游的主要頻率的特征。蘇慶文[10]利用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算仿真方法，對(duì)渦街流量計(jì)在不同介質(zhì)下（空氣、蒸汽、水）的流場特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于受氣體可壓縮性等物理特性影響，渦街流量計(jì)的流場存在差異，導(dǎo)致測量結(jié)果在不同介質(zhì)條件下存有偏差。彭能[10]利用CFD對(duì)大口徑管道渦街發(fā)生體處的流場特性進(jìn)行了分析。根據(jù)分析得出的結(jié)論結(jié)合大口徑管道發(fā)生體的機(jī)械特性，提出了位于發(fā)生體處基于差壓原理的旋渦頻率檢測方案。宋佳憶[11]則探索了三維流場中渦街流量計(jì)的最佳取壓位置，得出目前最常用的三角柱旋渦發(fā)生體的最佳取壓位置位于管道中軸線，距離發(fā)生體尾部1.4d處。

本文經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真方法的可行性后，利用ANSYSFLUENT流體計(jì)算軟件對(duì)不同上下游（即流量計(jì)前后端）直管段長度下渦街流量計(jì)的旋渦脫落頻率進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究不同管道條件對(duì)渦街流量計(jì)測量結(jié)果及內(nèi)部流場產(chǎn)生的影響，并對(duì)相關(guān)原因進(jìn)行了分析。

1 渦街流量計(jì)測量原理

渦街流量計(jì)利用流體振動(dòng)原理進(jìn)行流量測量，在特定的流動(dòng)條們下，流體一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)，期辰動(dòng)頻率與流速（流體流量）有確定的比例關(guān)系。

在與被測介質(zhì)流向垂直的方向放置一非流線型旋渦發(fā)生體，當(dāng)流體流過該旋渦發(fā)生體時(shí)，在發(fā)生體迎流面后方兩側(cè)交替分離釋放出兩列規(guī)則的旋渦[12]。渦街發(fā)生過程及流量測量過程如圖1所示。

管道內(nèi)流體平均流速v、旋渦脫落頻率f關(guān)系為

ν=f·m·d/S_t式中：ν——被測流體的流速，m/s;

f——旋渦脫落頻率，Hz;

m——旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積之和與管道的橫截面之比;

d——旋渦發(fā)生體的截流面寬度，m;

S_t——斯特勞哈爾數(shù)。

在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，S_t可視為常數(shù)[13]，渦街流量傳感器通過檢測旋渦頻率f，利用上式來測定流體流速，進(jìn)而得到流量值。

2 渦街流量計(jì)流場仿真

2.1 仿真模型建立與計(jì)算條件設(shè)定

利用ANSYSICEM建立相應(yīng)管道的二維幾何模型，并劃分網(wǎng)格。模型分為前后為直管段、前端有單個(gè)90°彎頭、后端有單個(gè)90°彎頭3種管道條件。旋渦發(fā)生體的尺寸見圖2，設(shè)計(jì)模擬管道示意圖見圖3，其中D為管道直徑50mm，n為變量，表示不同管道長度。

將ICEM中建好的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行仿真計(jì)算，針對(duì)渦街流場為非定常流動(dòng)，且雷諾數(shù)較高等條件，F(xiàn)LUENT中的求解條件設(shè)置如下，其余參數(shù)保持初始設(shè)定：

1）求解器：基于壓力的二維雙精度瞬態(tài)求解器，采用simplec算法;

2）湍流模型：RNG k-ε模型;

3）流體屬性：①空氣;②密度：1.225kg/m³;③運(yùn)動(dòng)粘度：1.7894×10^-5m²/s;

4）邊界條件：①入口：速度入口（根據(jù)需要設(shè)置不同的流速）;②出口：壓力出口（零壓）;

5）時(shí)間步長：取決于網(wǎng)格大小AX和流速v，T=△X/ν，根據(jù)波形再做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;

6）監(jiān)測點(diǎn)：監(jiān)測參數(shù)為旋渦發(fā)生體后0.7d處的靜態(tài)壓力。

2.2 仿真結(jié)果分析

以前后端均為充足直管段長度的仿真模擬結(jié)果作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。調(diào)整空氣介質(zhì)人口流速分別為5m/s、10m/s、20m/s、30m/s，取壓監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在旋渦發(fā)生體后0.7d處，運(yùn)行一定步數(shù)后，波形呈現(xiàn)周期性。對(duì)于不同的入口速度，管道內(nèi)旋渦產(chǎn)生、速度場以及壓力場的分布情況相似，區(qū)別僅在于旋渦脫落頻率f及振幅不同，以管道長度為前10D后10D、空氣流速為30m/s時(shí)計(jì)算結(jié)果為例來進(jìn)行分析：圖4展示了旋渦發(fā)生體后一定周期內(nèi)的旋渦脫落情況，發(fā)生體兩側(cè)旋渦依次交替形成和脫落，方向相反，隨著流體流動(dòng)旋渦強(qiáng)度逐漸減弱。

圖5展示了監(jiān)測點(diǎn)處隨著旋渦的形成和脫落所產(chǎn)生的靜壓力分布及演變情況，壓力隨著旋渦的發(fā)生、脫落而隨之周期性變化。

圖6（a）為相應(yīng)條件下監(jiān)測點(diǎn)所承受靜壓力的變化情況，從圖中可以看到該監(jiān)測點(diǎn)的靜壓力隨著時(shí)間呈周期性變化。為了得到與其對(duì)應(yīng)的頻率值，對(duì)該結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換（FFT），從而得到旋渦的脫落頻率及對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度（圖6（b））。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較

為了與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，在新疆計(jì)量測試研究院臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（負(fù)壓法）上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，裝置信息：U_rel=0.25%（k=2），流量范圍為0.1～15000m³/h，是在用的社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用工業(yè)中常用的壓電式渦街流量計(jì)，口徑為DN50mm，旋渦發(fā)生體尺寸與仿真模擬的尺寸相同，渦街流量計(jì)標(biāo)定精度為1.5級(jí)。實(shí)驗(yàn)用管道條件取前10D后10D和前5D后10D兩種情況，實(shí)驗(yàn)條件與仿真定義的條件基本相同。

圖7、圖8所示為仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，表1為仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的誤差。從仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較的結(jié)果來看兩者較為接近，最大誤差僅為-3.98%，說明應(yīng)用FLUENT進(jìn)行流場仿真計(jì)算，能夠比較真實(shí)地反映實(shí)際條件下旋渦脫落的頻率，仿真結(jié)果是可信的，因此將FLUENT數(shù)值仿真用于不同安裝條件下渦街流量計(jì)的流場特性的研究也是可行的。

4 不同管道條件下的仿真結(jié)果分析

基于以上可行性分析，對(duì)渦街流量計(jì)在前后端均為直管段、前端、后端分別有90°彎頭時(shí)的流場特性進(jìn)行了研究。

4.1 前后端均為直管段

前后端均為直管段的情況分為前10D后10D、前5D后10D、前5D后3D、前3D后1D、前1D后1D共5種情況。具體計(jì)算結(jié)果見圖9。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著直管段長度的縮短，頻率值整體呈下降趨勢，并且前端直管段長度的減少對(duì)結(jié)果影響更為明顯。但從圖10可以看出，頻率信號(hào)強(qiáng)度即振幅值與直管段長度沒有直接關(guān)系。

4.2 前端有90°彎頭

前端有90°彎頭的情況分別取前端1D、3D、10D、20D、30D、40D處有彎頭，后端直管段長度均取5D，以前10D后10D直管段的數(shù)據(jù)為參考，各管道條件下的計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

可以看出，前端有彎頭時(shí)直管段長度越短，也就是彎頭離旋渦發(fā)生體越近，得出的頻率值即管道內(nèi)的流量值越小，隨著直管段長度增加，頻率值逐漸增加，當(dāng)前端直管段長度增加至40D時(shí)，計(jì)算結(jié)果才與前后直管段充足時(shí)的結(jié)果接近，也就是說，在實(shí)際使用過程中，如果前端有90°彎頭，那么前直管段長度不得低于40D。各管道條件下的頻率誤差見表2。

以前1D彎頭后5D直管段的管道條件下、速度為30m/s時(shí)的流場情況為例來分析相關(guān)流場特性。從流場的壓力云圖（圖12（a））來看，由于彎頭的存在使得流體在管壁兩側(cè)的壓力分布不均，外側(cè)壓力增大，內(nèi)側(cè)壓力減小，流速增大時(shí)內(nèi)側(cè)甚至形成空穴;速度矢量圖（圖12（b））顯示了管道內(nèi)流體整體流動(dòng)情況，壓力較小的地方以及速度較快的部分速度矢量密度都比較大。

速度云圖（圖13）則充分體現(xiàn)出了管壁兩側(cè)壓力不均帶來的影響：管壁外側(cè)由于壓力較高，旋渦脫落的更快，而內(nèi)側(cè)由于壓力較低旋渦脫落較慢，導(dǎo)致發(fā)生體兩側(cè)旋渦交替脫落的頻率減小，即計(jì)算結(jié)果偏小。

4.3 后端有90°彎頭

后端有90°彎頭的情況分別取前端10D直管段后端5D有彎頭、前端10D直管段后端1D有彎頭、前端1D直管段后端5D有彎頭、前端1D直管段后端1D有彎頭4種情況，同樣以前10D后10D直管段的數(shù)據(jù)為參考，各管道條件下計(jì)算結(jié)果見圖14，頻率誤差見表3。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)前直管段長度為10D滿足安裝要求時(shí)，后端有彎頭對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，最大誤差僅為4.01%;但當(dāng)前直管段僅為1D時(shí)，后端有彎頭的影響更為顯著，誤差最大擴(kuò)大到-13.23%，因此在實(shí)際使用過程中，如果后端有90°彎頭，在前直管段長度充足的條件下，應(yīng)控制后端直管段長度不低于5D才能在一定程度上保證測量精度。

從速度云圖（圖15）可以看出，與前端有彎頭時(shí)的情況恰恰相反，后端有彎頭時(shí)管道內(nèi)側(cè)的旋渦脫落頻率較快，外側(cè)相對(duì)較慢，但整體上也會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測點(diǎn)的壓力變化頻率減慢，即計(jì)算結(jié)果也會(huì)偏低，這與實(shí)際情況吻合。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了前后均為直管段時(shí)的兩種數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，并對(duì)前后均為直管段但長度不足、前端有90°彎頭、后端有90°彎頭這3種管道條件下對(duì)頻率值的輸出影響進(jìn)行了研究，得出結(jié)論具體如下：

1）仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，表明用數(shù)值仿真的方法對(duì)渦街流量計(jì)流場特性進(jìn)行分析是可行的;

2）前后直管段不足時(shí)，直管段長度越短，輸出的頻率值越小，對(duì)應(yīng)計(jì)算出來的流量就會(huì)越小，并且前端直管段長度的減少對(duì)結(jié)果影響更為明顯;同時(shí)，輸出的頻率信號(hào)強(qiáng)度即振幅值與直管段長度沒有直接關(guān)系;

3）當(dāng)管道前端有90°彎頭時(shí)，頻率值大幅降低，彎頭離旋渦發(fā)生體越近，降幅越大;當(dāng)前直管段長度增加值40D時(shí)，計(jì)算結(jié)果才與前后直管段充足時(shí)的結(jié)果接近;

4）管道后端有90°彎頭時(shí)，當(dāng)前直管段長度為10D滿足安裝要求時(shí)，后端有彎頭對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小;但當(dāng)前直管段僅為1D時(shí)，后端有彎頭的影響更為顯著，誤差最大擴(kuò)大到一1323%。

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（編輯：劉楊）