摘要:為了研究渦街流量計內(nèi)部流場結(jié)構(gòu),通過GAMBI軟件的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和FLUENT軟件的RNGke模型對渦街流量計的流場進行了三維數(shù)值模擬,描繪了渦街產(chǎn)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(jié)果表明:渦街流場中靠近旋渦發(fā)生體的壁面靜壓有較明顯的波動,在距離旋渦發(fā)生體一定范圍內(nèi),越靠近旋渦發(fā)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(yōu)化渦街流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)展勢頭良好.優(yōu)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(chǎn)生流體振動,且振動頻率與流量成正比這一特征關(guān)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(nèi)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(jié)構(gòu)及其內(nèi)部參數(shù)的時空分布的影響。因此,研究渦街流量計內(nèi)部流動特性對優(yōu)化其測量性能具有十分重要的意義。
由于旋渦發(fā)生體的阻流作用,渦街在管道內(nèi)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(fā)生體后旋渦形成和脫落過程的認識幾乎全部依賴于經(jīng)驗和實驗。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值方法基礎(chǔ)上的計算流體動力學(xué)為人們研究復(fù)雜流動問題提供了一種有效的解決方法,通過計算機數(shù)值計算方法和圖像顯示技術(shù),可以得到在時間和空間.上定量描述流場的數(shù)值解。
目前,人們對渦街流場的數(shù)值模擬逐漸從二維過渡到和渦方法等。國內(nèi)外研究人員采用了各種數(shù)值算法對不同形狀旋渦發(fā)生體在不同雷諾數(shù)下進行了模擬計算。總體.上說來,在雷諾數(shù)較小時,數(shù)值模擬的結(jié)果與實際情況符合較好,但是,在雷諾數(shù)較大時,各種因素對渦街的影響十分復(fù)雜,數(shù)值模擬的結(jié)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(xué)軟件FUENT及其前處理軟件GAMBII對渦街流量計內(nèi)壁面壓力分布進行了數(shù)值模擬,目的在于獲得關(guān)于渦街流量計內(nèi)部流場的定性或半定量的認識,為優(yōu)化渦街流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和測量性能提供有益的參考。
1計算域和網(wǎng)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(shè)在旋渦發(fā)生體迎流面的中心,如圖1所示。管道內(nèi)徑為50mm,旋渦發(fā)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(fā)生體的二維計算域及其網(wǎng)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(jié)構(gòu)化的三角網(wǎng)格。由于旋渦發(fā)生體附近流場變化劇烈,因此,對其周圍的網(wǎng)格進行了局部加密處理。不同流速的流動情況通過改變?nèi)肟谒俣葋砟M。各求解變量收斂殘差值設(shè)置為1x105。入口邊界設(shè)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(shè)置為壓力出口,壓力出口處的表壓為0。管道和旋渦發(fā)生體均設(shè)置為固體,并且,壁面處無滑移。
2控制方程和計算參數(shù)
與其他流動過程相同,渦街流動的數(shù)學(xué)模型也是建立在質(zhì)量守恒定律.上的連續(xù)方程、動量守恒定律上的運動方程和熱力學(xué)第一定律.上的本構(gòu)方程基礎(chǔ)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(shù);Sk,S為自定義源項。
有效粘度公式為
3結(jié)果分析
圖2給出了介質(zhì)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(zhì)和入口速度時的計算結(jié)果相似�？梢钥闯�:旋渦從渦街發(fā)生體兩側(cè)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(fā)生體后,旋渦在向下游運動的同時,旋渦強度也逐漸由強變?nèi)�。相�?yīng)的,靜壓和動壓也都是在旋渦發(fā)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(nèi)各種參數(shù)都隨之發(fā)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(shù)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(nèi),因此,不適宜作為反映渦街特性的被測特征參數(shù)。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(tài)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(jié)果�？梢钥吹�,渦街流場中靠近旋渦發(fā)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(qū)間內(nèi)波動明顯、幅度最大,即在距離旋渦發(fā)生體一定范圍內(nèi),越靠近旋渦發(fā)生體,靜壓幅度越大;而在垂直流動方向上管道內(nèi)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(jiān)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(fā)生體的軸對稱管壁上設(shè)置兩個取壓點測量差壓,則可構(gòu)成差動結(jié)構(gòu),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(nèi)渦街流動特性。
4結(jié)束語
1)流體流過旋渦發(fā)生體后,旋渦在向下游運動的同時，旋渦強度逐漸由強變?nèi)?旋渦的周期性變化使流場內(nèi)靜壓和動壓等各種參數(shù)都隨之發(fā)生交替的波動;
2)渦街流量計中靠近旋渦發(fā)生體的壁面靜壓有較明顯的波動,在距離旋渦發(fā)生體.定范圍內(nèi),越靠近旋渦發(fā)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(nèi)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(guān)于渦街流量計內(nèi)部流場的定性或半定量的認識將有助于優(yōu)化渦街流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其測量性能。
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