摘要：目(mu)前對于(yu)渦街流(liu)量計 漩(xuan)渦發生(sheng)體的位(wei)置研究(jiu)僅局限(xian)于二維(wei)的仿真(zhen)研究，但(dan)實🔅際流(liu)體撞擊(ji)漩渦發(fa)生體是(shi)流體三(san)維模型(xing)。鑒于二(er)維仿真(zhen)并不💃能(neng)完✔️全對(dui)實際流(liu)體撞擊(ji)漩渦發(fa)生體🌈的(de)流場進(jin)行驗證(zheng)，采用數(shu)值仿真(zhen)軟件平(ping)Ansys+Workbench+FLUENT，根據實(shi)際渦街(jie)發生體(ti)的機械(xie)尺☂️寸建(jian)立相應(ying)的三維(wei)仿真模(mo)型。并對(dui)仿真模(mo)型進行(hang)網格細(xi)分，再通(tong)過N—s方程(cheng)進行求(qiu)解♊計算(suan)，通過仿(pang)真與😍在(zai)線實驗(yan)對比驗(yan)證表明(ming)通過FIUENT軟(ruan)件對實(shi)際渦街(jie)流場進(jin)💃🏻行仿真(zhen)的可行(hang)性。最終(zhong)利用FLUENT軟(ruan)件，對不(bu)同流速(su)，通過調(diao)整發生(sheng)體平移(yi)的位置(zhi)最終确(que)定發生(sheng)體位🌏置(zhi)對渦街(jie)信号的(de)影響，從(cong)而确定(ding)發生體(ti)允許最(zui)大的平(ping)移位置(zhi)占。
1引言(yan)
　　随着渦(wo)街流量(liang)計在國(guo)内各行(hang)各業的(de)使用量(liang)逐漸增(zeng)大，各高(gao)校🔱、研究(jiu)所和流(liu)量計生(sheng)産廠商(shang)的學者(zhe)和研究(jiu)☔人員也(ye)對此展(zhan)開了各(ge)方面的(de)研究，渦(wo)街流場(chang)🌂的數值(zhi)仿真的(de)研究和(he)實現也(ye)是其中(zhong)一個重(zhong)點]。
　　基于(yu)渦街流(liu)量計的(de)測量原(yuan)理渦街(jie)發生體(ti)的設計(ji)要🐕求♻️就(jiu)尤爲重(zhong)要，而在(zai)實際設(she)計生産(chan)當中不(bu)能保證(zheng)發生體(ti)的中心(xin)位置在(zai)管道的(de)中軸線(xian)上，發生(sheng)體☂️與管(guan)道中軸(zhou)線偏離(li)多少會(hui)對最終(zhong)的測量(liang)産生影(ying)🚩響需要(yao)重複更(geng)換發生(sheng)體，操作(zuo)起來費(fei)時費力(li)。鑒于☎️以(yi)上原因(yin)對進行(hang)對渦街(jie)發生體(ti)移動位(wei)置進行(hang)仿真研(yan)究，通過(guo)仿🙇🏻真結(jie)果來指(zhi)導物理(li)實驗，并(bing)根據物(wu)理實驗(yan)結果進(jin)一步完(wan)善傳感(gan)器結構(gou)。
2渦街流(liu)量計原(yuan)理
　　渦街(jie)流量計(ji)利用流(liu)體振動(dong)原理進(jin)行流量(liang)測量，在(zai)特定的(de)流動條(tiao)件下,流(liu)體-部分(fen)動能轉(zhuan)化爲振(zhen)動,其振(zhen)動頻率(lü)與流速(su)(流量)有(you)确定的(de)比例關(guan)系。1878年斯(si)特勞哈(ha)爾(Strouhal)發表(biao)了關于(yu)流體振(zhen)動🧑🏽‍🤝‍🧑🏻頻率(lü)與流速(su)關系的(de)文章的(de)。渦街流(liu)量計🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)基本原(yuan)理是:在(zai)與被測(ce)介質流(liu)向垂直(zhi)的✔️方向(xiang)放置--個(ge)非流線(xian)型旋渦(wo)發生體(ti)，當流體(ti)流過該(gai)旋渦發(fa)生體時(shi)，在🥰發生(sheng)體後方(fang)兩側交(jiao)替地分(fen)離釋放(fang)出兩列(lie)規則的(de)交錯排(pai)列的旋(xuan)渦，稱爲(wei)馮.卡爾(er)曼渦街(jie)們，如圖(tu)1所示。當(dang)旋渦發(fa)生體右(you)(或🐅左)下(xia)方産生(sheng)一個旋(xuan)渦後，在(zai)旋渦發(fa)生體上(shang)産生一(yi)㊙️個升力(li)。在旋渦(wo)發生體(ti)的後方(fang)安裝應(ying)力式壓(ya)電傳🐇感(gan)器，可以(yi)将作用(yong)在旋渦(wo)發生體(ti)上的升(sheng)力轉換(huan)爲電荷(he)信号。該(gai)電荷信(xin)号的變(bian)化頻率(lü)與旋渦(wo)的脫離(li)頻率一(yi).緻。通過(guo)檢測電(dian)荷信号(hao)的變化(hua)頻🌏率，就(jiu)可以得(de)到旋渦(wo)的分👉離(li)頻率口(kou)。

3渦街流(liu)場模型(xing)分析
　　雷(lei)諾時均(jun)方程的(de)方法求(qiu)解出來(lai)的是流(liu)動變量(liang)的針對(dui)時間的(de)😘平均值(zhi).無法給(gei)出流場(chang)結構的(de)詳細信(xin)息，體現(xian)不出湍(tuan)💃流流動(dong)的瞬時(shi)性特點(dian)。大渦模(mo)拟(LargeEddySimulation,LES)是🍉近(jin)代湍流(liu)研究中(zhong),用計算(suan)機直接(jie)求解N-S方(fang)程的一(yi)種方法(fa),它從空(kong)間的角(jiao)度對大(da)渦💁進行(hang)直接模(mo)拟，對小(xiao)渦進行(hang)模型👌化(hua)處理，從(cong)而使得(de)網格要(yao)求比DNS低(di)。其基本(ben)思想是(shi);将⭐流動(dong)的區域(yu)分爲兩(liang)個部分(fen):一部分(fen)是可通(tong)過求解(jie)定常三(san)維N-S方程(cheng)獲得的(de)㊙️大尺度(du)渦旋流(liu)⭐動🏒部分(fen)，另一部(bu)分是💛不(bu)需要直(zhi)接計算(suan)可采用(yong)通用模(mo)型獲得(de)的小尺(chi)度部分(fen)。
　　LES的控制(zhi)方程是(shi)對N-S方程(cheng)在波數(shu)空間或(huo)物理空(kong)間進行(hang)過濾得(de)到✉️的。過(guo)濾的過(guo)程是去(qu)掉比過(guo)濾寬度(du)或者給(gei)定物理(li)寬⭐度小(xiao)的旋渦(wo)，從而得(de)到大旋(xuan)渦的控(kong)制方程(cheng)。對于均(jun)勻湍流(liu),常用卷(juan)積濾波(bo)定義變(bian)量的🐪大(da)尺度成(cheng)分:


　　爲了(le)直觀得(de)到渦街(jie)信号真(zhen)實的流(liu)動曲線(xian)及流場(chang)分布,本(ben)課題🌈采(cai)用LES湍流(liu)模型來(lai)模拟渦(wo)街流場(chang)。在CFD-Post中.選(xuan)用二階(jie)迎風差(cha)分格式(shi)及SIMPLE算法(fa)”進行仿(pang)真。如圖(tu)2爲流體(ti)流經三(san)角柱發(fa)生體時(shi)的㊙️流線(xian)圖，可以(yi)從圖中(zhong)❄️清晰地(di)看到旋(xuan)渦的産(chan)生、脫落(luo)🙇🏻,以及渦(wo)街流量(liang)計的工(gong)作流場(chang)。

4三(san)維渦街(jie)流場仿(pang)真
　　通過(guo)FLUENT軟件對(dui)實際管(guan)道中的(de)流場進(jin)行仿真(zhen),其中在(zai)使☀️用FLUENT設(she)置相♈關(guan)參數時(shi)是根據(ju)實際管(guan)道中發(fa)生體👨‍❤️‍👨的(de)尺寸進(jin)行配置(zhi),圖3爲實(shi)際管道(dao)中發生(sheng)體在管(guan)道🔞中平(ping)移後的(de)三視圖(tu)。

　　發生體(ti)中心線(xian)平行于(yu)基準軸(zhou)線。這種(zhong)情況下(xia)，會産生(sheng)👅位置偏(pian)🎯差，平移(yi)距離記(ji)作δ。如圖(tu)4所示。

　　在(zai)Geometry中建立(li)發生體(ti)中心線(xian)平行于(yu)基準軸(zhou)線的三(san)維幾何(he)模型。如(ru)圖5所示(shi)。


　　可以從(cong)圖7中看(kan)出即使(shi)發生體(ti)位置與(yu)理想位(wei)置存在(zai)偏差，仍(reng)然🚶‍♀️會出(chu)現旋渦(wo)脫落現(xian)象。并且(qie)當發生(sheng)體上側(ce)的旋渦(wo)從産生(sheng)🌈到脫落(luo)時.發生(sheng)體下側(ce)在爲旋(xuan)渦的産(chan)生做準(zhun)🐅備，而不(bu)會産生(sheng)旋渦。同(tong)時當上(shang)側旋渦(wo)離開發(fa)生體一(yi)段距離(li)以後，下(xia)側才開(kai)始出現(xian)旋渦。
　　發(fa)生體在(zai)理想位(wei)置時産(chan)生的旋(xuan)渦是交(jiao)替排列(lie)的，而發(fa)☁️生體在(zai)中心線(xian)發生平(ping)移的情(qing)況下，會(hui)根據δ的(de)不同使(shi)得👨‍❤️‍👨旋渦(wo)脫落後(hou)朝中心(xin)線相對(dui)基準軸(zhou)線平移(yi)的方🛀🏻向(xiang)碰撞到(dao)管壁。針(zhen)對此現(xian)象對低(di)速(4m/s)、中速(su)(40m/s)和高速(su)(70m/s)流速下(xia)進行仿(pang)真研究(jiu)，并将數(shu)據記錄(lu)到表1中(zhong)。

　　爲了更(geng)爲直觀(guan)地反映(ying)出圖8中(zhong)不同流(liu)速下的(de)旋渦信(xin)号強度(du)随平移(yi)位置的(de)變化規(gui)律,現将(jiang)表1中的(de)旋渦信(xin)号強度(du)用表2的(de)偏移程(cheng)度來表(biao)示。

　　将表(biao)2中的數(shu)據繪制(zhi)成圖8。從(cong)圖中可(ke)以看出(chu)信号強(qiang)度☀️随💔着(zhe)偏移距(ju)離，流速(su)的不同(tong)而不同(tong)。并且得(de)出以下(xia)結論:無(wu)論是低(di)速(4m/s).中速(su)(40m/s)、還是高(gao)速(70m/s)流速(su)下,随着(zhe)平移距(ju)離的增(zeng)加，信号(hao)強度減(jian)弱,偏移(yi)程度增(zeng)加。平移(yi)距離越(yue)小📞，偏移(yi)程度越(yue)小,随着(zhe)平移距(ju)離的增(zeng)加，平移(yi)距離與(yu)偏移程(cheng)度近似(si)于平方(fang)關系。
　　通(tong)過觀察(cha)低速(4m/s)、中(zhong)速(40m/s)和高(gao)速(70m/s)流速(su)下渦街(jie)流場中(zhong)旋渦的(de)産生-脫(tuo)落圖，可(ke)以發現(xian)，當平移(yi)距離較(jiao)小時，會(hui)在發📐生(sheng)體尾部(bu)生成兩(liang)列規則(ze)排列的(de)旋渦。繼(ji)續增加(jia)偏移❤️距(ju)離，會出(chu)現旋渦(wo)發生體(ti)尾部産(chan)生交替(ti)排列的(de)旋渦向(xiang)發生體(ti)尾部産(chan)生的旋(xuan)渦碰撞(zhuang)到管壁(bi)🥵的過渡(du)點。流速(su)爲4m/s時，過(guo)渡點在(zai)0.3d處;流速(su)🐅爲40m/s和70m/s時(shi)，過渡點(dian)在0.4d處。也(ye)就是說(shuo)，當流速(su)爲4m/s,平移(yi)距離爲(wei)0.3d、0.4d和0.5d時，發(fa)生體産(chan)生的🏒旋(xuan)渦會碰(peng)撞到管(guan)壁;當流(liu)速爲40m/s或(huo)70m/s,偏移距(ju)離爲0.4d和(he)0.5d時，發生(sheng)體産生(sheng)的旋渦(wo)會碰撞(zhuang)到管壁(bi)。
5仿真與(yu)實際流(liu)速對比(bi)
　　實驗室(shi)使用50mm口(kou)徑液體(ti)流場進(jin)行實驗(yan)其中實(shi)驗裝♻️置(zhi)如圖9所(suo)示,由于(yu)限制本(ben)實驗主(zhu)要針對(dui)低流速(su)下🏃進行(hang)實驗👨‍❤️‍👨仿(pang)真對比(bi)。

　　渦街流(liu)量計安(an)裝在閥(fa)門的下(xia)遊,由于(yu)閥門上(shang)遊連🈲接(jie)的，水❄️箱(xiang)🔞在水泵(beng)不斷送(song)水的狀(zhuang)态下一(yi)-直呈溢(yi)出狀态(tai)✨，因此可(ke)認爲上(shang)遊水箱(xiang)的液位(wei)是穩定(ding)的。實驗(yan)👣中通過(guo)調節閥(fa)門的開(kai)🌈度達到(dao)控制回(hui)路中流(liu)量大小(xiao)，同時與(yu)仿真中(zhong)的流速(su)進行對(dui)比，其中(zhong)δ爲發生(sheng)體♊平移(yi)距離。

6結(jie)論
　　流場(chang)仿真在(zai)渦街流(liu)量計傳(chuan)感器設(she)計以及(ji)優化傳(chuan)感👌器設(she)計變得(de)越來越(yue)重要,它(ta)通過理(li)論支持(chi)指導仿(pang)真🈲的可(ke)實施⭐性(xing)，并将仿(pang)真結論(lun)用于實(shi)驗中,大(da)大縮短(duan)了🔴設計(ji)周期。
　　通(tong)過模拟(ni)三維渦(wo)街流場(chang)以及渦(wo)街流量(liang)計的漩(xuan)渦發生(sheng)體,通過(guo)改變發(fa)生體與(yu)管道基(ji)準軸的(de)距離從(cong)而得♊到(dao)不同的(de)💋漩渦信(xin)号,通過(guo)仿真與(yu)實際管(guan)道流💜體(ti)的實驗(yan)對比可(ke)以看出(chu),在發生(sheng)體中心(xin)線相對(dui)于基準(zhun)軸線發(fa)生平移(yi)的情況(kuang)下，渦街(jie)流場♉的(de)旋渦信(xin)✍️号強度(du)是流體(ti)流速和(he)平移距(ju)離的共(gong)同作用(yong)結果,同(tong)時在發(fa)生體偏(pian)離中心(xin)軸在0.05d以(yi)内則不(bu)影響渦(wo)街流量(liang)計的♈最(zui)終測👄量(liang)精度,這(zhe)爲實際(ji)設計發(fa)生體做(zuo)出理論(lun)指導。

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