蒸(zheng)汽作(zuo)爲一(yi)種重(zhong)要的(de)二次(ci)清潔(jie)能源(yuan)，在電(dian)廠、石(shi)油化(hua)工、食(shi)品、機(ji)械加(jia)工等(deng)工業(ye)生産(chan)領域(yu)和人(ren)民的(de)日✔️常(chang)生活(huo)中🐇占(zhan)據了(le)越🈲來(lai)越重(zhong)要的(de)地位(wei)。爲了(le)提高(gao)蒸汽(qi)的計(ji)量水(shui)平，标(biao)準孔(kong)闆、噴(pen)嘴以(yi)及渦(wo)街流(liu)量計(ji)等多(duo)種類(lei)型的(de)蒸汽(qi)儀表(biao)，而在(zai)衆多(duo)類型(xing)蒸汽(qi)儀表(biao)中，渦(wo)街🎯流(liu)量計(ji)以其(qi)結構(gou)簡單(dan)、測量(liang)範圍(wei)寬、壓(ya)損小(xiao)、測量(liang)時無(wu)可動(dong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻件等(deng)優點(dian)在蒸(zheng)汽計(ji)量中(zhong)得到(dao)快速(su)的推(tui)廣和(he)使用(yong)。
1 渦街(jie)流量(liang)計
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji) ( 又稱(cheng)旋渦(wo)流量(liang)計) 是(shi)根據(ju) “卡門(men)渦街(jie)”原✊理(li)研制(zhi)成的(de)流體(ti)振蕩(dang)式流(liu)量測(ce)量儀(yi)表。所(suo)謂 “卡(ka)門渦(wo)街”現(xian)象就(jiu)是在(zai)測🆚量(liang)管道(dao)流動(dong)的流(liu)體中(zhong)插入(ru)一❗根(gen) ( 或多(duo)根) 迎(ying)流面(mian)爲非(fei)流線(xian)型的(de)旋渦(wo)發生(sheng)體，當(dang)雷諾(nuo)數達(da)到一(yi)定值(zhi)時，從(cong)旋渦(wo)發🌈生(sheng)體下(xia)遊兩(liang)側交(jiao)替地(di)分離(li)釋放(fang)出兩(liang)串規(gui)則的(de)交錯(cuo)排列(lie)的旋(xuan)渦，這(zhe)種旋(xuan)渦稱(cheng)爲卡(ka)門渦(wo)街。在(zai)一定(ding)雷🌈諾(nuo)數範(fan)圍内(nei)，旋渦(wo)的分(fen)離頻(pin)率與(yu)旋渦(wo)發生(sheng)體的(de)幾何(he)尺寸(cun)、管道(dao)的幾(ji)何尺(chi)寸有(you)關，旋(xuan)渦的(de)頻率(lü)正比(bi)于管(guan)道流(liu)👈體流(liu)量，并(bing)可由(you)各種(zhong)型式(shi)的傳(chuan)感器(qi)檢出(chu)，渦街(jie)流量(liang)計工(gong)作✉️原(yuan)理如(ru)圖 1 所(suo)示。

卡(ka)門渦(wo)街頻(pin)率計(ji)算公(gong)式爲(wei):

　　式中(zhong): f 爲旋(xuan)渦頻(pin)率; Sr爲(wei)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu); m 爲旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)兩側(ce)弓形(xing)面積(ji)與管(guan)道橫(heng)截面(mian)面積(ji)之比(bi)，不可(ke)壓縮(suo)流體(ti)🥵中，由(you)🔞于流(liu)體密(mi)度 ρ 不(bu)✨變，由(you)連續(xu)性方(fang)程可(ke)得到(dao) m = U/U1。

　　不同(tong)介質(zhi)對渦(wo)街流(liu)量計(ji)性能(neng)的影(ying)響最(zui)終體(ti)現在(zai)儀表(biao)系數(shu)的差(cha)異上(shang)，所以(yi)本文(wen)使用(yong) Fluent 軟件(jian)建立(li)渦街(jie)流量(liang)計的(de)幾何(he)模型(xing)，然後(hou)對不(bu)同介(jie)質下(xia)的流(liu)場進(jin)行仿(pang)真分(fen)析，并(bing)仿真(zhen)得到(dao)不同(tong)介質(zhi)下的(de)儀表(biao)系數(shu)，最終(zhong)通過(guo)實驗(yan)驗證(zheng)得到(dao)空氣(qi)和水(shui)作爲(wei)替代(dai)介質(zhi)🔅導緻(zhi)的與(yu)蒸汽(qi)實流(liu)标定(ding)得到(dao)的儀(yi)表系(xi)的差(cha)異。
2 仿(pang)真模(mo)型與(yu)條件(jian)的設(she)定
2. 1 仿(pang)真模(mo)型
　　選(xuan)擇 DN100 口(kou)徑的(de)渦街(jie)流量(liang)計進(jin)行研(yan)究，利(li)用 Gambit 軟(ruan)件建(jian)立🐅渦(wo)街流(liu)量計(ji)✉️幾何(he)模型(xing)并劃(hua)分網(wang)格，渦(wo)街流(liu)量計(ji)發生(sheng)體橫(heng)截面(mian)網❄️格(ge)如圖(tu) 2 所示(shi)。

　　爲了(le)提高(gao)計算(suan)效率(lü)，渦街(jie)發生(sheng)體處(chu)重點(dian)加密(mi)，其他(ta)區域(yu)适當(dang)的稀(xi)疏。從(cong)圖 2 可(ke)以看(kan)出，渦(wo)街發(fa)生體(ti)所處(chu)流場(chang)網格(ge)💛均勻(yun)加密(mi)。通過(guo)加密(mi)畫法(fa)，靠近(jin)渦街(jie)發生(sheng)體的(de)橫截(jie)面網(wang)格較(jiao)密，遠(yuan)離渦(wo)✊街發(fa)生體(ti)而靠(kao)近管(guan)壁的(de)網格(ge)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼較稀(xi)疏。
2. 2 仿(pang)真條(tiao)件設(she)定
　　仿(pang)真選(xuan)擇三(san)種流(liu)體材(cai)質，分(fen)别爲(wei)空氣(qi)和蒸(zheng)汽兩(liang)種🏃🏻可(ke)壓縮(suo)流體(ti)以及(ji)不可(ke)壓縮(suo)的水(shui)，在 Fluent 中(zhong)空氣(qi)和蒸(zheng)汽材(cai)質通(tong)過設(she)定氣(qi)體的(de)密度(du)選項(xiang)來實(shi)現。對(dui)于不(bu)可壓(ya)縮流(liu)體選(xuan)擇的(de)密度(du)爲常(chang)數; 空(kong)氣介(jie)質選(xuan)擇默(mo)認🌈密(mi)度 1. 225 kg/m3，其(qi)密度(du)設定(ding)爲理(li)想氣(qi)體，在(zai)叠代(dai)計算(suan)的過(guo)程🚩中(zhong)，根據(ju)氣體(ti)狀态(tai)方程(cheng)壓強(qiang)的變(bian)化修(xiu)☂️正流(liu)體的(de)密度(du); 蒸汽(qi)介質(zhi)的㊙️密(mi)度根(gen)據IF － 97 公(gong)式，利(li)用 UDF 編(bian)程設(she)置。
仿(pang)真模(mo)型選(xuan)擇 ＲNG k － ε 雙(shuang)方程(cheng)湍流(liu)模型(xing)，該模(mo)型可(ke)以很(hen)好🏃地(di)處理(li)高應(ying)變率(lü)以及(ji)流線(xian)彎曲(qu)程度(du)較大(da)的流(liu)體✔️流(liu)動，非(fei)常适(shi)合具(ju)有旋(xuan)渦脫(tuo)落現(xian)象的(de)渦街(jie)流場(chang)仿✉️真(zhen)［8］。
3 流場(chang)仿真(zhen)分析(xi)
　　根據(ju)公式(shi) ( 1) 可知(zhi)，影響(xiang)渦街(jie)流量(liang)計旋(xuan)渦頻(pin)率的(de)是發(fa)生體(ti)兩😍側(ce)的流(liu)速 U1和(he)發生(sheng)體的(de)結構(gou)，由于(yu)發生(sheng)體結(jie)構尺(chi)寸是(shi)固定(ding)的，因(yin)此頻(pin)💁率隻(zhi)與 U1相(xiang)關，需(xu)要觀(guan)測在(zai)相同(tong)入口(kou)流速(su) U 的條(tiao)件下(xia) U1變化(hua)來得(de)到頻(pin)率的(de)變化(hua)🈲，而速(su)度的(de)變化(hua)必然(ran)會導(dao)緻流(liu)體密(mi)度的(de)變化(hua)，因此(ci)🍓可觀(guan)測發(fa)生體(ti)兩側(ce)的密(mi)度雲(yun)圖，來(lai)判✂️斷(duan)可壓(ya)縮性(xing)🔆對渦(wo)街流(liu)量計(ji)流速(su) U1的影(ying)響，通(tong)過仿(pang)真得(de)到如(ru)🈲圖 3 ( a) 所(suo)🈲示的(de)不可(ke)壓縮(suo)流體(ti)發生(sheng)體兩(liang)側的(de)密度(du)雲圖(tu)和如(ru)圖 3 ( b) 所(suo)示的(de)可壓(ya)縮流(liu)體發(fa)生體(ti)兩側(ce)的密(mi)度雲(yun)圖。

　　由(you)圖 3 可(ke)以看(kan)出，不(bu)可壓(ya)縮流(liu)體的(de)密度(du)在仿(pang)真過(guo)程中(zhong)沒有(you)發生(sheng)變化(hua)，可壓(ya)縮流(liu)體的(de)密度(du)發生(sheng)了變(bian)化，必(bi)然會(hui)導緻(zhi)兩🌂側(ce)速度(du) U1的☁️變(bian)化。可(ke)壓縮(suo)流體(ti)經過(guo)發生(sheng)體後(hou)密度(du)變小(xiao)會導(dao)緻 U1變(bian)大。
　　根(gen)據圖(tu) 3 得到(dao)的結(jie)論，對(dui)渦街(jie)流量(liang)計進(jin)行蒸(zheng)汽、空(kong)氣和(he)水三(san)❗種介(jie)質下(xia)的軟(ruan)件仿(pang)真，設(she)置三(san)種介(jie)質的(de)入✌️口(kou)流速(su)均爲(wei) 50 m/s，取🙇‍♀️渦(wo)街發(fa)生體(ti)迎流(liu)面側(ce)棱中(zhong)點與(yu)管壁(bi)連線(xian)📧，如圖(tu) 2 中線(xian)段 ab所(suo)示。取(qu)該線(xian)上的(de)速度(du)值，将(jiang)蒸汽(qi)、空氣(qi)和水(shui)三種(zhong)介質(zhi)下的(de)速度(du)曲線(xian)進行(hang)比較(jiao)，結果(guo)如圖(tu) 4所示(shi)。

　　從圖(tu) 4 中可(ke)以看(kan)出，在(zai)靠近(jin)渦街(jie)發生(sheng)體的(de)位置(zhi)，可壓(ya)縮流(liu)體流(liu)速明(ming)顯大(da)于不(bu)可壓(ya)縮流(liu)體流(liu)速，且(qie)空氣(qi)🍓的流(liu)速要(yao)大于(yu)🔞蒸汽(qi)介質(zhi)的流(liu)速。因(yin)此空(kong)氣介(jie)質受(shou)氣體(ti)可壓(ya)縮性(xing)的影(ying)響較(jiao)大。
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)的計(ji)量性(xing)能最(zui)終反(fan)映到(dao)儀表(biao)系數(shu)上，渦(wo)街🈲流(liu)量計(ji)🈲兩側(ce)的旋(xuan)渦頻(pin)率決(jue)定了(le)儀表(biao)系數(shu)的大(da)小，圖(tu) 5 爲仿(pang)真💜得(de)到的(de)渦街(jie)流量(liang)計渦(wo)流流(liu)場靜(jing)壓雲(yun)圖。從(cong)☎️圖中(zhong)可以(yi)看出(chu)兩個(ge)明顯(xian)的脫(tuo)落旋(xuan)渦。圖(tu)中 A 區(qu)域靜(jing)壓大(da)，B 區域(yu)靜壓(ya)小。靜(jing)壓最(zui)小的(de)位置(zhi)是 C 處(chu)，也就(jiu)是脫(tuo)落旋(xuan)渦的(de)渦心(xin)位置(zhi)。檢測(ce)渦街(jie)🚶發生(sheng)體下(xia)遊🤞 1D 處(chu)的靜(jing)壓變(bian)化得(de)到如(ru)圖 6 所(suo)示的(de)靜壓(ya)變化(hua)圖。

　　對圖(tu) 6 中靜(jing)壓數(shu)值進(jin)行快(kuai)速傅(fu)立葉(ye)變換(huan)，得到(dao)如圖(tu) 7 所💔示(shi)👌的三(san)種介(jie)質下(xia)的旋(xuan)渦脫(tuo)落頻(pin)率圖(tu)。
通過(guo)讀取(qu)圖 7 三(san)種介(jie)質旋(xuan)渦脫(tuo)落頻(pin)率圖(tu)最高(gao)

點的(de)頻率(lü)，可以(yi)得到(dao)空氣(qi)介質(zhi)的旋(xuan)渦脫(tuo)落頻(pin)率爲(wei)☔1 595 Hz，蒸🌈汽(qi)介質(zhi)的旋(xuan)渦脫(tuo)落頻(pin)率爲(wei) 1 579 Hz，水介(jie)質的(de)旋渦(wo)脫落(luo)頻率(lü)爲1 559 Hz。代(dai)入公(gong)式 ( 1)可(ke)以發(fa)現，渦(wo)街流(liu)量計(ji)在相(xiang)同管(guan)道直(zhi)徑相(xiang)同入(ru)口速(su)度的(de)情況(kuang)下在(zai)水🈚介(jie)質中(zhong)得到(dao)的儀(yi)表系(xi)數最(zui)小、蒸(zheng)💔汽次(ci)之、空(kong)氣最(zui)大。說(shuo)⛹🏻‍♀️明空(kong)氣受(shou)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻氣體(ti)介質(zhi)的可(ke)壓縮(suo)性影(ying)響大(da)，在發(fa)生體(ti)兩側(ce)的密(mi)度變(bian)化率(lü)較蒸(zheng)汽要(yao)大。
4 實(shi)驗驗(yan)證
　　爲(wei)驗證(zheng)仿真(zhen)分析(xi)得到(dao)的結(jie)論，利(li)用負(fu)壓法(fa)音速(su)噴嘴(zui)氣體(ti)流量(liang)計量(liang)标準(zhun)裝置(zhi)、蒸汽(qi)實流(liu)計量(liang)标準(zhun)裝置(zhi)和水(shui)流量(liang)計量(liang)标🙇‍♀️準(zhun)裝置(zhi)對該(gai)結構(gou)類型(xing)的渦(wo)街流(liu)量計(ji)進行(hang)三種(zhong)介質(zhi)💯的實(shi)驗研(yan)究，各(ge)測試(shi)條件(jian)參數(shu)如表(biao) 1 所示(shi)。

在上(shang)述實(shi)驗條(tiao)件下(xia)得到(dao)三種(zhong)标準(zhun)計量(liang)裝置(zhi)的儀(yi)表系(xi)數，實(shi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼驗結(jie)果如(ru)圖 8 所(suo)示。

　　由圖(tu) 8 可看(kan)出，在(zai)實驗(yan)過程(cheng)中，空(kong)氣與(yu)水的(de)儀表(biao)系數(shu)✨與仿(pang)真分(fen)⭐析基(ji)本相(xiang)符，但(dan)蒸汽(qi)介質(zhi)的儀(yi)表系(xi)數要(yao)小，這(zhe)主要(yao)是因(yin)💛爲蒸(zheng)👣汽介(jie)質的(de)高溫(wen)使發(fa)生體(ti)的幾(ji)何尺(chi)寸發(fa)生變(bian)化導(dao)緻的(de)儀表(biao)系數(shu)的改(gai)變。
根(gen)據經(jing)驗公(gong)式 ( 4) :

　　由(you)公式(shi) ( 4) 可以(yi)知道(dao)随着(zhe)溫度(du)的升(sheng)高，儀(yi)表系(xi)數會(hui)減小(xiao)💘，因此(ci)就出(chu)現了(le)圖 8 所(suo)示實(shi)驗數(shu)據與(yu)圖 7 仿(pang)真頻(pin)率計(ji)算出(chu)的儀(yi)表系(xi)數的(de)微小(xiao)差異(yi)。
5 結論(lun)
　　利用(yong) Fluent 軟件(jian)實現(xian)了渦(wo)街流(liu)量計(ji)在不(bu)同介(jie)質下(xia)的流(liu)場仿(pang)🔞真，根(gen)據卡(ka)門渦(wo)街的(de)産生(sheng)機理(li)，對比(bi)分析(xi)了空(kong)氣、蒸(zheng)🚶‍♀️汽和(he)水三(san)💰種不(bu)同介(jie)質條(tiao)件下(xia)的流(liu)場，仿(pang)真結(jie)果表(biao)明随(sui)着可(ke)壓縮(suo)性的(de)增強(qiang)，渦街(jie)流量(liang)計的(de)儀表(biao)系數(shu)随之(zhi)變大(da)，因此(ci)在渦(wo)街流(liu)量計(ji)的首(shou)次或(huo)者後(hou)續檢(jian)定中(zhong)盡⛹🏻‍♀️量(liang)采用(yong)與工(gong)況相(xiang)同的(de)介質(zhi)進行(hang)标定(ding)。

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