摘要:為了研究渦街流量計內部流場結構,通過GAMBI軟件的非結構化網格技術和FLUENT軟件的RNGke模型對渦街流量計的流場進行了三維數值模擬,描繪了渦街產生和脫落過程,著重分析了壁面壓力分布隨渦街脫落的演變情況。結果表明:渦街流場中靠近旋渦發生體的壁面靜壓有較明顯的波動,在距離旋渦發生體一定范圍內,越靠近旋渦發生體,靜壓幅度越大;而在對稱于管道軸線的位置,壁面靜壓幅度相等,相位相反。該研究為優化渦街流量計的結構設計和測量性能提供了有益的參考。
0引言
渦街流量計是近年發展勢頭良好.優點突出的一類新型流量測量裝置。它利用在特定的流動條件下流體部分動能產生流體振動,且振動頻率與流量成正比這一特征關系來進行工作。只要采用合適的檢測方法從與渦街脫落相伴的周期振動的流速、壓力中提取出頻率,那么,就可以得到管道內被測流體的流量值川。渦街流量計的性能在很大程度上受到渦街流場結構及其內部參數的時空分布的影響。因此,研究渦街流量計內部流動特性對優化其測量性能具有十分重要的意義。
由于旋渦發生體的阻流作用,渦街在管道內的流動是強烈的非線性時變湍流,難以解析地求得流場分布情況,所以,至今人們對旋渦發生體后旋渦形成和脫落過程的認識幾乎全部依賴于經驗和實驗。隨著計算機技術的飛速發展,建立在經典流體力學與數值方法基礎上的計算流體動力學為人們研究復雜流動問題提供了一種有效的解決方法,通過計算機數值計算方法和圖像顯示技術,可以得到在時間和空間.上定量描述流場的數值解。
目前,人們對渦街流場的數值模擬逐漸從二維過渡到和渦方法等。國內外研究人員采用了各種數值算法對不同形狀旋渦發生體在不同雷諾數下進行了模擬計算�？傮w.上說來,在雷諾數較小時,數值模擬的結果與實際情況符合較好,但是,在雷諾數較大時,各種因素對渦街的影響十分復雜,數值模擬的結果還不盡如人意,許多問題還待于進一步深入研究。
本文利用先進的計算流體力學軟件FUENT及其前處理軟件GAMBII對渦街流量計內壁面壓力分布進行了數值模擬,目的在于獲得關于渦街流量計內部流場的定性或半定量的認識,為優化渦街流量計的結構設計和測量性能提供有益的參考。
1計算域和網格
在模擬過程中,渦街流量計的計算域簡化為具有圓形進出口邊界的軸對稱三維幾何模型,坐標原點設在旋渦發生體迎流面的中心,如圖1所示。管道內徑為50mm,旋渦發生體為梯形柱體,迎流面寬度為14mm.圖1給出了:=0截面(=軸方向垂直紙面向外)管道和旋渦發生體的二維計算域及其網格的示意圖。為了真實地模擬實際流動狀況，利用GAMBI軟件生成了非結構化的三角網格。由于旋渦發生體附近流場變化劇烈,因此,對其周圍的網格進行了局部加密處理。不同流速的流動情況通過改變入口速度來模擬。各求解變量收斂殘差值設置為1x105。入口邊界設置為沿管道軸向均勻速度入口,其他方向速度均為0。出口邊界設置為壓力出口,壓力出口處的表壓為0。管道和旋渦發生體均設置為固體,并且,壁面處無滑移。
2控制方程和計算參數
與其他流動過程相同,渦街流動的數學模型也是建立在質量守恒定律.上的連續方程、動量守恒定律上的運動方程和熱力學第一定律.上的本構方程基礎上的。綜合考慮仿真精度和計算成本,采用RNGke兩方程模型。
雷諾平均NavierSlokes方程組為
式中μ為流體動力粘度;μt為流體湍動粘度;δtf為Koneck符號;k為湍流脈動動能。
式中Gk為湍流動能生成項;Gb為湍流動能擴散項;ε為流體脈動動能的耗散率;YAT為湍流動能耗散項;αk,αs。分別為kε的逆有效普朗特數;Sk,S為自定義源項。
有效粘度公式為
3結果分析
圖2給出了介質為水、入口速度為15m.s1時的渦街流場中靜壓和動壓的分布情況。其他介質和入口速度時的計算結果相似。可以看出:旋渦從渦街發生體兩側交替脫離形成渦街,分離點在梯形柱的銳邊上。流體流過旋渦發生體后,旋渦在向下游運動的同時,旋渦強度也逐漸由強變弱。相應的,靜壓和動壓也都是在旋渦發生體附近較強,在向下游運動的過程中強度也逐漸減弱。顯然,旋渦的周期性變化使流場內各種參數都隨之發生交替的波動,因此，通過檢測渦街尾流中周期變化的某一參數可以獲取渦街流動特征。由于動壓的檢測比較困難,需要將測量件伸入管道內,因此,不適宜作為反映渦街特性的被測特征參數。而管壁處靜壓的測量相對來說要簡單容易得多,取壓裝置垂直于流動方向且位于管壁上,同時其值只需采用普通的動態壓力傳感器即可測得。
為了定量比較渦街流場空間中不同位置處靜壓的大小,圖3給出了靜壓在計算域中平行流向的:=0,y=245mm和垂直流向的:=0,x=25mm兩條直線上的計算結果�？梢钥吹�,渦街流場中靠近旋渦發生體管壁處的靜壓有較明顯的波動,，沿流動方向靜壓在0~50mm區間內波動明顯、幅度最大,即在距離旋渦發生體一定范圍內,越靠近旋渦發生體,靜壓幅度越大;而在垂直流動方向上管道內壁處的靜壓也具有較大的幅度。圖4給出了計算域中:=0平面上一對軸對稱管壁處監測點P1(10,245,0)和Pi(10,24.5,0)靜壓的計算值。從圖中可以看出:管壁處軸對稱的2點靜壓波動的幅度和頻率相等而相位相反,因此，若在靠近旋渦發生體的軸對稱管壁上設置兩個取壓點測量差壓,則可構成差動結構,獲得的信號更強便于檢測,通過測得的靜壓差可以檢測管內渦街流動特性。
4結束語
1)流體流過旋渦發生體后,旋渦在向下游運動的同時，旋渦強度逐漸由強變弱,旋渦的周期性變化使流場內靜壓和動壓等各種參數都隨之發生交替的波動;
2)渦街流量計中靠近旋渦發生體的壁面靜壓有較明顯的波動,在距離旋渦發生體.定范圍內,越靠近旋渦發生體,壁面靜壓幅度越大,而在對稱于管道軸線的位置,壁面靜壓幅度相等而相位相反。.
總之,渦街流量計內壁面壓力可以較好地表征渦街脫落的過程,通過采用合適的檢測和信號處理方法可以使人.們從多個角度來提取渦街特性。并且,關于渦街流量計內部流場的定性或半定量的認識將有助于優化渦街流量計的結構設計及其測量性能。
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