摘(zhai)要:通(tong)過FLUENT對(dui)典型(xing)的渦(wo)街流(liu)量計(ji) 在低(di)溫流(liu)體中(zhong)的卡(ka)門渦(wo)街流(liu)場特(te)性進(jin)行理(li)論分(fen)析和(he)數✏️值(zhi)仿真(zhen),并與(yu)常溫(wen)工況(kuang)下的(de)渦街(jie)流場(chang)進行(hang)比較(jiao),分析(xi)低溫(wen)流體(ti)🥵的旋(xuan)渦分(fen)離過(guo)程,得(de)出流(liu)量與(yu)渦街(jie)分離(li)頻率(lü)的對(dui)應關(guan)系。研(yan)究表(biao)明💰,數(shu)值仿(pang)真方(fang)法成(cheng)本低(di),适于(yu)模拟(ni)複雜(za)流場(chang)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,爲低(di)溫渦(wo)街流(liu)量計(ji)在渦(wo)街發(fa)生體(ti)形狀(zhuang)和壓(ya)電振(zhen)動傳(chuan)感器(qi)采樣(yang)位置(zhi)的設(she)計與(yu)優🐆化(hua)提供(gong)理論(lun)依據(ju)。.
1引言(yan)
　　渦街(jie)流量(liang)計具(ju)有儀(yi)表系(xi)數穩(wen)定、瞬(shun)時流(liu)量測(ce)量正(zheng)🔞确、量(liang)程範(fan)圍寬(kuan)、壓力(li)損失(shi)小、結(jie)構和(he)檢測(ce)方式(shi)組合(he)多樣(yang)、便于(yu)安裝(zhuang)🤟維護(hu)等諸(zhu)多特(te)點，在(zai)流量(liang)測量(liang)領域(yu)占有(you)重㊙️要(yao)地位(wei)🔴。常溫(wen)下的(de)渦街(jie)流量(liang)計技(ji)術已(yi)經相(xiang)當成(cheng)熟，至(zhi)今已(yi)發展(zhan)爲多(duo)種旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)形式(shi)及不(bu)同檢(jian)測方(fang)法，系(xi)列化(hua)的産(chan)👉品應(ying)用于(yu)各♉種(zhong)工業(ye)領域(yu)🤞。但用(yong)于低(di)溫(特(te)别是(shi)超低(di)溫,如(ru)✔️液氫(qing)、液氧(yang)、液氮(dan)🔞)流體(ti)✨測量(liang)的渦(wo)街流(liu)量計(ji)才剛(gang)剛起(qi)步，國(guo)外已(yi)在近(jin)期開(kai)展了(le)研究(jiu),在國(guo)外航(hang)天領(ling)域的(de)低溫(wen)流體(ti)流量(liang)測量(liang)中使(shi)用效(xiao)果良(liang)好，并(bing)逐步(bu)有産(chan)品推(tui)向市(shi)場。目(mu)前,中(zhong)🌈國國(guo)内少(shao)有低(di)溫渦(wo)街流(liu)😍量計(ji)的産(chan)品和(he)文獻(xian)系統(tong)報導(dao)。
　　在超(chao)低溫(wen)下，信(xin)号感(gan)測器(qi)靈敏(min)度下(xia)降,因(yin)此必(bi)須産(chan)生🌈更(geng)加強(qiang)烈穩(wen)定的(de)旋渦(wo),才能(neng)提高(gao)信噪(zao)比,滿(man)足精(jing)度要(yao)求。此(ci)外，液(ye)氫、液(ye)氧和(he)液氮(dan)等低(di)溫流(liu)體的(de)物性(xing)極爲(wei)特殊(shu),其黏(nian)度極(ji)低,極(ji)易産(chan)生空(kong)穴。衆(zhong)所周(zhou)知,旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)形狀(zhuang)和檢(jian)測位(wei)置對(dui)渦街(jie)流量(liang)計的(de)測量(liang)🤩質量(liang)影響(xiang)很大(da)，,但是(shi)受檢(jian)測條(tiao)件和(he)手🔞段(duan)的限(xian)制，難(nan)🏒以對(dui)其影(ying)響進(jin)行有(you)效評(ping)價。利(li)用計(ji)算流(liu)體力(li)學(CFD)數(shu)值仿(pang)真的(de)方法(fa)模⛱️拟(ni)不同(tong)旋渦(wo)發生(sheng)體渦(wo)街流(liu)量傳(chuan)感器(qi)内部(bu)流場(chang),進而(er)🛀🏻确定(ding)旋渦(wo)發生(sheng)體形(xing)狀以(yi)及檢(jian)測點(dian)位置(zhi),對渦(wo)街流(liu)量傳(chuan)感器(qi)的優(you)化具(ju)有重(zhong)要的(de)✔️指導(dao)意義(yi)。本文(wen)根🥰據(ju)低溫(wen)流體(ti)(以液(ye)氮爲(wei)例)的(de)物性(xing)參數(shu)和流(liu)體🛀🏻力(li)學理(li)論,對(dui)低溫(wen)渦街(jie)的流(liu)場進(jin)行理(li)論計(ji)🔴算和(he)數值(zhi)仿真(zhen),分析(xi)低溫(wen)流體(ti)渦街(jie)的産(chan)生過(guo)💃程,對(dui)比低(di)溫渦(wo)街和(he)常溫(wen)渦街(jie)流場(chang)分布(bu)的異(yi)同,爲(wei)低溫(wen)渦街(jie)流量(liang)計的(de)設計(ji)和優(you)化提(ti)供理(li)論依(yi)據。
2低(di)溫渦(wo)街特(te)性理(li)論分(fen)析
2.1渦(wo)街流(liu)量計(ji)的工(gong)作原(yuan)理
　　在(zai)流體(ti)中設(she)置旋(xuan)渦發(fa)生體(ti),就會(hui)從旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)兩.側(ce)交替(ti)地産(chan)生有(you)規則(ze)的旋(xuan)渦,這(zhe)種在(zai)旋渦(wo)發生(sheng)體下(xia)遊非(fei)對🌍稱(cheng)排列(lie)的旋(xuan)渦列(lie)即卡(ka)門渦(wo)街。根(gen)據卡(ka)門🥵渦(wo)街原(yuan)理,旋(xuan)渦頻(pin)率ƒ有(you)如下(xia)關系(xi)式:
 
　　式(shi)中:ƒ爲(wei)旋渦(wo)頻率(lü),Hz;Sr爲斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數,無(wu)量綱(gang),與旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)形💯狀(zhuang)⛹🏻‍♀️及雷(lei)諾數(shu)Re有關(guan),在Re=2×104-7x106範(fan)圍内(nei)可視(shi)爲常(chang)數，例(li)如三(san)角柱(zhu)發生(sheng)體的(de)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)爲Sr=0.16;V爲(wei)測量(liang)管🚶‍♀️内(nei)被測(ce)介質(zhi)的平(ping)均流(liu)速，m/s;m爲(wei)發生(sheng)體兩(liang)側弓(gong)形流(liu)通♍面(mian)積之(zhi)和🔴與(yu)測量(liang)管的(de)橫街(jie)面積(ji)之比(bi),計算(suan)如下(xia):
 
　　式中(zhong):D爲渦(wo)街流(liu)量計(ji)管道(dao)口徑(jing),m;d爲旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)迎流(liu)面寬(kuan)度,m,對(dui)于三(san)角柱(zhu)發生(sheng)體而(er)言,d=0.28D。
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)的儀(yi)表系(xi)數K:
 
　　式(shi)中:K爲(wei)渦街(jie)流量(liang)計儀(yi)表系(xi)數,m-3;qv爲(wei)管道(dao)内被(bei)測介(jie)質的(de)體積(ji)流量(liang)💃🏻,m³/s。
　　可見(jian)儀表(biao)系數(shu)K與旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)、管道(dao)的幾(ji)何尺(chi)寸及(ji)斯☁️特(te)勞哈(ha)📞爾🐆數(shu)Sr有關(guan)。但在(zai)Sr可視(shi)爲常(chang)數的(de)雷諾(nuo)數範(fan)圍内(nei)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,K就隻(zhi)🔞與旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)形狀(zhuang)和管(guan)道幾(ji)何尺(chi)寸有(you)關,因(yin)此渦(wo)街流(liu)量計(ji)輸出(chu)的脈(mo)沖頻(pin)率信(xin)号不(bu)受流(liu)體物(wu)性和(he)組分(fen)變化(hua)的影(ying)響，隻(zhi)⁉️要正(zheng)确測(ce)得旋(xuan)渦頻(pin)💔率ƒ,就(jiu)可正(zheng)确得(de)知被(bei)測流(liu)體的(de)流速(su)U和體(ti)積流(liu)量qv,給(gei).信号(hao)的測(ce)量提(ti)供了(le)依據(ju)。
2.2低溫(wen)渦街(jie)流量(liang)與頻(pin)率特(te)性
　　圓(yuan)管傳(chuan)輸流(liu)體的(de)雷諾(nuo)數Re爲(wei):
 
　　式中(zhong):ν爲流(liu)體運(yun)動黏(nian)度,m/s。
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)測量(liang)液體(ti)的最(zui)低流(liu)速一(yi)般≥0.3m/s,最(zui)大流(liu)速應(ying)≤7m/s。以😍口(kou)🔴徑100mm的(de)渦街(jie)流量(liang)計爲(wei)例，在(zai)測量(liang)液氮(dan)(77K,ρ=808kg/m³,v=1.96x10-7m2/s)時,其(qi)雷諾(nuo)數Re的(de)上下(xia)限爲(wei):1.53x105≤Re≤3.58x106，滿足(zu)斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)Sr可視(shi)爲常(chang)數的(de)雷諾(nuo)數範(fan)圍🤩。因(yin)此,渦(wo)街流(liu)量計(ji)的特(te)🐪性在(zai)原理(li)上🌂也(ye)可以(yi)适用(yong)于液(ye)氮的(de)低溫(wen)工況(kuang)流量(liang)測量(liang)。
　　依據(ju)式(3)可(ke)以計(ji)算出(chu)口徑(jing)100mm的渦(wo)街流(liu)量計(ji)的儀(yi)表系(xi)數K=1123m-3.
3低(di)溫渦(wo)街的(de)流場(chang)仿真(zhen)模型(xing)建立(li).
3.1FLUENT在渦(wo)街仿(pang)真中(zhong)的應(ying)用
　　計(ji)算機(ji)高性(xing)能運(yun)算的(de)不斷(duan)提高(gao)使計(ji)算流(liu)體力(li)學(CFD)技(ji)術更(geng)加實(shi)用,越(yue)來越(yue)完善(shan)的流(liu)體計(ji)算模(mo)型開(kai)始被(bei)商業(ye)化的(de)CFD軟件(jian)所采(cai)用，如(ru)FLUENT集成(cheng)了衆(zhong)多湍(tuan)流模(mo)型、LES模(mo)型JDES模(mo)型、化(hua)學反(fan)應模(mo)✊型、多(duo)相流(liu)模型(xing)🌈等研(yan)究成(cheng)果❗。近(jin)年，在(zai)渦街(jie)流量(liang)計設(she)計和(he)優化(hua)中,越(yue)來越(yue)多的(de)采💃🏻用(yong)了FLUENT等(deng)CFD軟件(jian)進行(hang)數值(zhi)仿真(zhen),大大(da)節省(sheng)🌂了開(kai)發成(cheng)本🍉和(he)周期(qi),并且(qie)對其(qi)内部(bu)流場(chang)有☂️了(le)更加(jia)深刻(ke)和⭐直(zhi)觀❤️的(de)理解(jie)。
　　通過(guo)兩維(wei)渦街(jie)流場(chang)的仿(pang)真,研(yan)究了(le)雷諾(nuo)數和(he)剪切(qie)率對(dui)渦結(jie)🔞構的(de)影響(xiang)。通過(guo)FLUENT對渦(wo)街流(liu)量計(ji)流場(chang)進行(hang)🚶了數(shu)🔞值仿(pang)真,據(ju)此優(you)化設(she)計渦(wo)街流(liu)量計(ji)結構(gou)，選取(qu)取壓(ya)位置(zhi)。研究(jiu)旋渦(wo)發生(sheng)體前(qian)後壓(ya)差與(yu)流速(su)之間(jian)的關(guan)系，提(ti)出了(le)利用(yong)單一(yi)差壓(ya)傳感(gan)器測(ce)⭐量質(zhi)量流(liu)量的(de)新方(fang)法。通(tong)過FLUENT對(dui)梯形(xing)發生(sheng)體與(yu)T形發(fa)生體(ti)的渦(wo)街流(liu)場進(jin)行🏃🏻‍♂️模(mo)拟對(dui)比研(yan)究,并(bing)得到(dao)了檢(jian)測點(dian)位置(zhi)。以上(shang)研究(jiu)者的(de)工作(zuo)表明(ming),利用(yong)FLUENT仿真(zhen)能夠(gou)較真(zhen)實的(de)反映(ying)渦街(jie)流量(liang)計的(de)🐕内部(bu)流場(chang)特性(xing),在渦(wo)街流(liu)量計(ji)的開(kai)發過(guo)程中(zhong)扮演(yan)越🍉來(lai)越重(zhong)要的(de)角色(se)。
3.2建模(mo)與網(wang)格劃(hua)分
　　渦(wo)街流(liu)量計(ji)的二(er)維仿(pang)真結(jie)構模(mo)型如(ru)圖1所(suo)示,管(guan)道👄口(kou)徑爲(wei)D=100mm,三角(jiao)🌂柱旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)迎流(liu)面寬(kuan)度d=28mm,頂(ding)角θ=19°,符(fu)合該(gai)管道(dao)口✂️徑(jing)下的(de)行業(ye)标準(zhun)。渦街(jie)流量(liang)計的(de)網格(ge)劃分(fen)采用(yong)四邊(bian)形🌏結(jie)構化(hua)網格(ge),根據(ju)區域(yu)的不(bu)規則(ze)程🤩度(du)和流(liu)場的(de)複雜(za)程度(du)對不(bu)同子(zi)區域(yu)進行(hang)分别(bie)劃分(fen)。
 
3.3求解(jie)條件(jian)設置(zhi)
　　爲了(le)能夠(gou)計算(suan)得到(dao)流場(chang)的正(zheng)确解(jie),必須(xu)給定(ding)合理(li)的🌍邊(bian)界條(tiao)件和(he)流體(ti)物性(xing),并選(xuan)擇合(he)适的(de)求解(jie)器和(he)🛀計算(suan)模型(xing)。渦街(jie)流場(chang)爲非(fei)定常(chang)流動(dong)，雷諾(nuo)數較(jiao)高,對(dui)渦街(jie)流場(chang)仿真(zhen)🔅的求(qiu)解🏃‍♂️條(tiao)件如(ru)表1設(she)置🏃。
 
4仿(pang)真結(jie)果分(fen)析
4.1低(di)溫渦(wo)街的(de)形成(cheng)過程(cheng)
　　圖2表(biao)示了(le)一個(ge)旋渦(wo)形成(cheng)周期(qi)T内不(bu)同時(shi)刻的(de)渦街(jie)🏃‍♀️二🈲維(wei)流場(chang)圖,直(zhi)觀反(fan)映了(le)渦街(jie)的形(xing)成、脫(tuo)落過(guo)程。可(ke)以看(kan)到邊(bian)界層(ceng)在渦(wo)街發(fa)生體(ti)的兩(liang)側平(ping)行棱(leng)邊開(kai)始減(jian)速增(zeng)壓運(yun)動,并(bing)伴有(you)倒流(liu)現象(xiang)。倒流(liu)沿着(zhe)壁面(mian)向後(hou)伸展(zhan)使邊(bian)界層(ceng)明顯(xian)增厚(hou),同時(shi)旋渦(wo)的尺(chi)寸不(bu)斷增(zeng)大。當(dang)旋📞渦(wo)增加(jia)到一(yi)定程(cheng)度後(hou),就從(cong)發生(sheng)體上(shang)脫落(luo)分離(li)，随📐着(zhe)流體(ti)向下(xia)遊運(yun)動,形(xing)成振(zhen)蕩尾(wei)🔴流。在(zai)旋渦(wo)的中(zhong)心形(xing)成低(di)壓區(qu)😍,會随(sui)着旋(xuan)💜渦的(de)交替(ti)産生(sheng)和脫(tuo)落過(guo)程,在(zai)流場(chang)♌中形(xing)成周(zhou)期性(xing)變化(hua)的壓(ya)力場(chang),壓力(li)場的(de)變化(hua)頻率(lü)與旋(xuan)渦脫(tuo)落頻(pin)率--緻(zhi)。壓電(dian)式渦(wo)街流(liu)量計(ji)即是(shi)通💜過(guo)檢測(ce)流場(chang)内振(zhen)蕩尾(wei)💰流中(zhong)特定(ding)❌點處(chu)的壓(ya)力變(bian)化頻(pin)率來(lai)測定(ding)流速(su)。
 
4.2低溫(wen)渦街(jie)仿真(zhen)結果(guo)正确(que)率驗(yan)證
　　由(you)于低(di)溫渦(wo)街試(shi)驗條(tiao)件受(shou)限,低(di)溫渦(wo)街仿(pang)真結(jie)果和(he)理論(lun)計算(suan)值與(yu)相同(tong)結構(gou)尺寸(cun)的常(chang)溫渦(wo)街流(liu)量計(ji)在水(shui)介質(zhi)中的(de)校驗(yan)數✉️據(ju)進行(hang)比對(dui)。如圖(tu)3所示(shi),試驗(yan)與仿(pang)真曲(qu)線的(de)線性(xing)度都(dou)很好(hao)，而且(qie)低溫(wen)介質(zhi)與常(chang)溫介(jie)質🍓的(de)數據(ju)比較(jiao)一緻(zhi),驗證(zheng)了斯(si)特勞(lao)哈爾(er)數St與(yu)儀表(biao)系數(shu)K不随(sui)介質(zhi)與🔴溫(wen)度影(ying)響的(de)特性(xing)。分析(xi)結果(guo)可知(zhi):渦街(jie)👈流量(liang)計儀(yi)表系(xi)數的(de)試驗(yan)值與(yu)理論(lun)計算(suan)值之(zhi)間的(de)相對(dui)誤差(cha)在3%之(zhi)内;仿(pang)真🛀🏻值(zhi)與試(shi)驗值(zhi)之間(jian)的相(xiang)對誤(wu)差在(zai)5%之内(nei),說明(ming)所采(cai)取的(de)仿真(zhen)方法(fa)比較(jiao)正确(que),驗證(zheng)了FLUENT數(shu)值仿(pang)真技(ji)術用(yong)于低(di)溫渦(wo)街流(liu)量計(ji)流場(chang)仿真(zhen)的可(ke)行性(xing)。
 
4.3低溫(wen)渦街(jie)與常(chang)溫渦(wo)街的(de)流場(chang)分布(bu)對比(bi)
　　圖4比(bi)較了(le)低溫(wen)渦街(jie)與常(chang)溫渦(wo)街的(de)流場(chang)分布(bu),由于(yu)⭐液氮(dan)☂️的粘(zhan)度比(bi)水低(di)很多(duo),流體(ti)内部(bu)的分(fen)子間(jian)引力(li)和碰(peng)撞較(jiao)弱，流(liu)體間(jian)的相(xiang)對運(yun)動阻(zu)力較(jiao)大，造(zao)成低(di)溫渦(wo)街的(de)流場(chang)☔中速(su)度梯(ti)度較(jiao)大,表(biao)現爲(wei)旋渦(wo)尺寸(cun)比常(chang)溫工(gong)況下(xia)的旋(xuan)渦小(xiao)。因此(ci)，相比(bi)常溫(wen)下壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)的安(an)置位(wei)置而(er)言，檢(jian)💋測振(zhen)蕩尾(wei)流中(zhong)旋渦(wo)列的(de)📞低溫(wen)渦街(jie)的傳(chuan)感器(qi)就要(yao)更靠(kao)近渦(wo)街發(fa)生體(ti)📞,這在(zai)設計(ji)低溫(wen)渦街(jie)流量(liang)計時(shi)必須(xu)特殊(shu)考慮(lü)。
　　能量(liang)的相(xiang)對集(ji)中導(dao)緻了(le)壓力(li)梯度(du)(主要(yao)爲動(dong)壓)也(ye)比較(jiao)大⭕。但(dan)必須(xu)注意(yi)到，在(zai)旋渦(wo)發生(sheng)體前(qian)後的(de)壓差(cha)使液(ye)體介(jie)質釋(shi)放出(chu)氣體(ti)而在(zai)渦街(jie)發生(sheng)體末(mo)端附(fu)近産(chan).生空(kong)穴,這(zhe)在低(di)溫工(gong)況下(xia)尤爲(wei)嚴重(zhong)。因此(ci),必須(xu)在渦(wo)街流(liu)量計(ji)下遊(you)🌈設置(zhi)背壓(ya)📞以避(bi)免空(kong)化現(xian)象的(de)影響(xiang)。同時(shi)也說(shuo)明了(le)采用(yong)安置(zhi)在渦(wo)街發(fa)生體(ti)上測(ce)🚶量交(jiao)變壓(ya)差或(huo)壓力(li)脈動(dong)的測(ce)量方(fang)法,并(bing)不适(shi)用于(yu)低溫(wen)工況(kuang)下的(de)渦街(jie)信号(hao)檢測(ce)。
5結論(lun)
(1)通過(guo)對低(di)溫渦(wo)街流(liu)場的(de)CFD仿真(zhen)模拟(ni),圖示(shi)了低(di)溫渦(wo)街的(de)形🔞成(cheng)☁️和脫(tuo)落過(guo)程,便(bian)于更(geng)好地(di)分析(xi)和理(li)解渦(wo)街特(te)性。
(2)分(fen)析渦(wo)街流(liu)量計(ji)儀表(biao)系數(shu)的理(li)論計(ji)算數(shu)據、試(shi)驗數(shu)❄️據與(yu)仿㊙️真(zhen)數據(ju),驗證(zheng)了将(jiang)FLUENT數值(zhi)仿真(zhen)技術(shu)用于(yu)渦街(jie)流量(liang)計内(nei)部流(liu)場分(fen)析的(de)有效(xiao)性,可(ke)以作(zuo)爲渦(wo)街流(liu)量計(ji)的優(you)化⚽設(she)計的(de)理論(lun)指導(dao)依據(ju)。
(3)對低(di)溫渦(wo)街和(he)常溫(wen)渦街(jie)的流(liu)場分(fen)布進(jin)行對(dui)比,從(cong)低黏(nian)度流(liu)體介(jie)質物(wu)性的(de)角度(du)解釋(shi)了低(di)溫渦(wo)街流(liu)場的(de)特殊(shu)性,并(bing)對低(di)😘溫渦(wo)街壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)位置(zhi)設置(zhi)提出(chu)了有(you)益建(jian)議。

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