摘要:通過FLUENT對典型的渦街流量計在低溫流體中的卡門渦街流場特性進行理論分析和數值仿真,并與常溫工況下的渦街流場進行比較,分析低溫流體的旋渦分離過程,得出流量與渦街分離頻率的對應關系。研究表明,數值仿真方法成本低,適于模擬復雜流場,為低溫渦街流量計在渦街發生體形狀和壓電振動傳感器采樣位置的設計與優化提供理論依據。.
1引言
渦街流量計具有儀表系數穩定、瞬時流量測量正確、量程范圍寬、壓力損失小、結構和檢測方式組合多樣、便于安裝維護等諸多特點，在流量測量領域占有重要地位。常溫下的渦街流量計技術已經相當成熟，至今已發展為多種旋渦發生體形式及不同檢測方法，系列化的產品應用于各種工業領域。但用于低溫(特別是超低溫,如液氫、液氧、液氮)流體測量的渦街流量計才剛剛起步，國外已在近期開展了研究,在國外航天領域的低溫流體流量測量中使用效果良好，并逐步有產品推向市場。目前,中國國內少有低溫渦街流量計的產品和文獻系統報導。
在超低溫下，信號感測器靈敏度下降,因此必須產生更加強烈穩定的旋渦,才能提高信噪比,滿足精度要求。此外，液氫、液氧和液氮等低溫流體的物性極為特殊,其黏度極低,極易產生空穴。眾所周知,旋渦發生體形狀和檢測位置對渦街流量計的測量質量影響很大，,但是受檢測條件和手段的限制，難以對其影響進行有效評價。利用計算流體力學(CFD)數值仿真的方法模擬不同旋渦發生體渦街流量傳感器內部流場,進而確定旋渦發生體形狀以及檢測點位置,對渦街流量傳感器的優化具有重要的指導意義。本文根據低溫流體(以液氮為例)的物性參數和流體力學理論,對低溫渦街的流場進行理論計算和數值仿真,分析低溫流體渦街的產生過程,對比低溫渦街和常溫渦街流場分布的異同,為低溫渦街流量計的設計和優化提供理論依據。
2低溫渦街特性理論分析
2.1渦街流量計的工作原理
在流體中設置旋渦發生體,就會從旋渦發生體兩.側交替地產生有規則的旋渦,這種在旋渦發生體下游非對稱排列的旋渦列即卡門渦街。根據卡門渦街原理,旋渦頻率ƒ有如下關系式:
式中:ƒ為旋渦頻率,Hz;Sr為斯特勞哈爾數,無量綱,與旋渦發生體形狀及雷諾數Re有關,在Re=2×104-7x106范圍內可視為常數，例如三角柱發生體的斯特勞哈爾數為Sr=0.16;V為測量管內被測介質的平均流速，m/s;m為發生體兩側弓形流通面積之和與測量管的橫街面積之比,計算如下:
式中:D為渦街流量計管道口徑,m;d為旋渦發生體迎流面寬度,m,對于三角柱發生體而言,d=0.28D。
渦街流量計的儀表系數K:
式中:K為渦街流量計儀表系數,m-3;qv為管道內被測介質的體積流量,m³/s。
可見儀表系數K與旋渦發生體、管道的幾何尺寸及斯特勞哈爾數Sr有關。但在Sr可視為常數的雷諾數范圍內,K就只與旋渦發生體形狀和管道幾何尺寸有關,因此渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，只要正確測得旋渦頻率ƒ,就可正確得知被測流體的流速U和體積流量qv,給.信號的測量提供了依據。
2.2低溫渦街流量與頻率特性
圓管傳輸流體的雷諾數Re為:
式中:ν為流體運動黏度,m/s。
渦街流量計測量液體的最低流速一般≥0.3m/s,最大流速應≤7m/s。以口徑100mm的渦街流量計為例，在測量液氮(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其雷諾數Re的上下限為:1.53x105≤Re≤3.58x106，滿足斯特勞哈爾數Sr可視為常數的雷諾數范圍。因此,渦街流量計的特性在原理上也可以適用于液氮的低溫工況流量測量。
依據式(3)可以計算出口徑100mm的渦街流量計的儀表系數K=1123m-3.
3低溫渦街的流場仿真模型建立.
3.1FLUENT在渦街仿真中的應用
計算機高性能運算的不斷提高使計算流體力學(CFD)技術更加實用,越來越完善的流體計算模型開始被商業化的CFD軟件所采用，如FLUENT集成了眾多湍流模型、LES模型JDES模型、化學反應模型、多相流模型等研究成果。近年，在渦街流量計設計和優化中,越來越多的采用了FLUENT等CFD軟件進行數值仿真,大大節省了開發成本和周期,并且對其內部流場有了更加深刻和直觀的理解。
通過兩維渦街流場的仿真,研究了雷諾數和剪切率對渦結構的影響。通過FLUENT對渦街流量計流場進行了數值仿真,據此優化設計渦街流量計結構，選取取壓位置。研究旋渦發生體前后壓差與流速之間的關系，提出了利用單一差壓傳感器測量質量流量的新方法。通過FLUENT對梯形發生體與T形發生體的渦街流場進行模擬對比研究,并得到了檢測點位置。以上研究者的工作表明,利用FLUENT仿真能夠較真實的反映渦街流量計的內部流場特性,在渦街流量計的開發過程中扮演越來越重要的角色。
3.2建模與網格劃分
渦街流量計的二維仿真結構模型如圖1所示,管道口徑為D=100mm,三角柱旋渦發生體迎流面寬度d=28mm,頂角θ=19°,符合該管道口徑下的行業標準。渦街流量計的網格劃分采用四邊形結構化網格,根據區域的不規則程度和流場的復雜程度對不同子區域進行分別劃分。
3.3求解條件設置
為了能夠計算得到流場的正確解,必須給定合理的邊界條件和流體物性,并選擇合適的求解器和計算模型。渦街流場為非定常流動，雷諾數較高,對渦街流場仿真的求解條件如表1設置。
4仿真結果分析
4.1低溫渦街的形成過程
圖2表示了一個旋渦形成周期T內不同時刻的渦街二維流場圖,直觀反映了渦街的形成、脫落過程。可以看到邊界層在渦街發生體的兩側平行棱邊開始減速增壓運動,并伴有倒流現象。倒流沿著壁面向后伸展使邊界層明顯增厚,同時旋渦的尺寸不斷增大。當旋渦增加到一定程度后,就從發生體上脫落分離，隨著流體向下游運動,形成振蕩尾流。在旋渦的中心形成低壓區,會隨著旋渦的交替產生和脫落過程,在流場中形成周期性變化的壓力場,壓力場的變化頻率與旋渦脫落頻率--致。壓電式渦街流量計即是通過檢測流場內振蕩尾流中特定點處的壓力變化頻率來測定流速。
4.2低溫渦街仿真結果正確率驗證
由于低溫渦街試驗條件受限,低溫渦街仿真結果和理論計算值與相同結構尺寸的常溫渦街流量計在水介質中的校驗數據進行比對。如圖3所示,試驗與仿真曲線的線性度都很好，而且低溫介質與常溫介質的數據比較一致,驗證了斯特勞哈爾數St與儀表系數K不隨介質與溫度影響的特性。分析結果可知:渦街流量計儀表系數的試驗值與理論計算值之間的相對誤差在3%之內;仿真值與試驗值之間的相對誤差在5%之內,說明所采取的仿真方法比較正確,驗證了FLUENT數值仿真技術用于低溫渦街流量計流場仿真的可行性。
4.3低溫渦街與常溫渦街的流場分布對比
圖4比較了低溫渦街與常溫渦街的流場分布,由于液氮的粘度比水低很多,流體內部的分子間引力和碰撞較弱，流體間的相對運動阻力較大，造成低溫渦街的流場中速度梯度較大,表現為旋渦尺寸比常溫工況下的旋渦小。因此，相比常溫下壓電傳感器的安置位置而言，檢測振蕩尾流中旋渦列的低溫渦街的傳感器就要更靠近渦街發生體,這在設計低溫渦街流量計時必須特殊考慮。
能量的相對集中導致了壓力梯度(主要為動壓)也比較大。但必須注意到，在旋渦發生體前后的壓差使液體介質釋放出氣體而在渦街發生體末端附近產.生空穴,這在低溫工況下尤為嚴重。因此,必須在渦街流量計下游設置背壓以避免空化現象的影響。同時也說明了采用安置在渦街發生體上測量交變壓差或壓力脈動的測量方法,并不適用于低溫工況下的渦街信號檢測。
5結論
(1)通過對低溫渦街流場的CFD仿真模擬,圖示了低溫渦街的形成和脫落過程,便于更好地分析和理解渦街特性。
(2)分析渦街流量計儀表系數的理論計算數據、試驗數據與仿真數據,驗證了將FLUENT數值仿真技術用于渦街流量計內部流場分析的有效性,可以作為渦街流量計的優化設計的理論指導依據。
(3)對低溫渦街和常溫渦街的流場分布進行對比,從低黏度流體介質物性的角度解釋了低溫渦街流場的特殊性,并對低溫渦街壓電傳感器位置設置提出了有益建議。
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