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渦街流量計對管道內渦街狀態的模擬結果與分析

摘要：流量是流體的一種屬性。當前，無論是在工業方面，還是在生活方面，流量檢測已成為評估的一個重要指標，有著重要意義。渦街流量計是流量儀表不可或缺的一部分，這是由于卡門渦街具有獨特的流體振蕩特性，且具有眾多優勢，如精度高、量程范圍較寬、結構簡單、無可動部件等。對管道內渦街狀態進行模擬，建立 3 種基本渦旋發生體模型，利用 ANSYS 進行仿真分析，可為今后流量計的合理結構設計奠定基礎。 
引  言：
隨著科學技術的飛速發展，流量檢測作為測量流體的標準，無論是在工業方面，還是生活方面都有著重要的意義，如工業上用于工業原料流量檢測，生活中用于生活用水的流量監測。在流體領域中，卡門渦街獨有的流體振蕩特性，使其成為流量計儀表當中不可或缺的一部分。卡門渦街具有眾多優勢，如結構簡單、量程范圍較寬、精度高、無可動部件等。因此，在**工業生產領域中，以渦街流量計作為流量測量的手段。 
渦旋流量計因具有寬泛的可測流速范圍，被廣泛應用于液體、氣體和蒸汽的測量領域。在提高石油采收率的系統當中，渦街流量計被用于二氧化碳流量的測量；在半導體產業中，渦街流量計可用于精確測量超純水蝕刻工藝；在廢水處理廠中，可用來測量高腐蝕性酸的流量，如氯化鐵、鹽酸和氫氧化鈉等化學藥品的計量也使用渦式流量計。 
 對于渦街流量計，其*重要的就是渦街發生體的結構設計，合理的渦街發生體能產生穩定的渦旋，在一定的流速范圍內，渦旋產生頻率與流體流速具有良好的線性關系。流量計的量程、精度、敏感度都會受其影響，模擬不同渦街發生體的漩渦狀態。 
1、模擬軟件及模擬條件：
已知流體經過渦街發生體，會產生渦街現象(見圖 1)，并且在確定渦街發生體，已知其特征長度 l 的情況下，單側旋渦的脫離頻率 f 與流體流速 v 成正比關系，公式為：     St＝fl/v  (1) 式中，St(斯特勞哈爾數)為無量綱常數，f 為單側漩渦脫離頻率，l 為渦街發生體渦街發生體特征長度，v 為管道內流體流速。 
圖 1  圓柱發生體產生渦街圖 
將實際數據建模，通過計算機模擬找到卡門渦街的基礎特性，從而利用數學模型找到哪種渦街發生體有較良好的穩定性。主要采用的模擬軟件是 ANSYS內的 ICEMCFD 建模模塊、FLUENT 模塊和 CFD-POST 顯示模塊，利用 ANSYS  workbench 將各個模塊整合在一起，如圖 2 所示。 
圖 2  ANSYS workbench模擬模塊圖 
模擬時主要以 3 個傳統的漩渦發生體(圓柱、三角柱、梯形柱)為主要研究對象[5]，分析在給定流速范圍內哪種渦街發生體擁有較好的流速漩渦脫離頻率線性關系，也就是斯特勞哈爾數較為穩定。 
本次模擬采用二維模型的卡門渦街模擬，對 3 種類型渦街發生體(圓柱、三角柱、梯形柱)在不同流速下進行分析。模擬采用水介質，密度為 998.2,kg/m3，
溫度為 288.16,K，動力粘度為 0.001,003,Pa·s。 
壓力采集點分別位于渦街發生體后 30,mm、40,mm、60,mm 處。 
2、模擬結果與分析 ：
經過數據處理得到單側渦旋脫離周期，并計算得到相應 St(斯特勞哈爾數)，如表 1 所示。 
表 1  不同渦旋發生體的渦街狀態 
在給定渦街發生體條件下，卡門渦街漩渦脫離頻率與流速成反比關系，在一定流速范圍內斯特勞哈爾數為常數，約為 0.2，模擬驗證了公式(1)。模擬得到監測點位于 30,mm 處橫向速度波動較大，特測器位于此位置較好，介質為水的 1,m/s 左右流速下，周期為 10,ms 級。渦街發生體選三角柱體較為穩定。 
基于各個部分已經得到仿真結果，算出 3 種類型渦街發生體的渦街產生效果，三角柱產生的效果較好。考慮計算提高流速的情況是否還能保持穩定，流速增加到了 5,m/s，仍能產生穩定渦旋，周期大約為0.001,s ，計 算 得 到 St ＝ 0.2 ，10,m/s 時 ，周 期 為0.004,8,s，計算得到 St＝0.19。由此可見，在提高流速的情況下，三角柱體型渦街發生體仍可以穩定工作，
主要表現在穩定的斯特勞哈爾數值上，基本與理論值0.2 相吻合。 
3、結論：
本文從 3 種基本渦街發生體出發，模擬在相同環境條件下，3 種基本發生體的渦街發生狀態，通過仿真得到三角柱體具有更加穩定的斯特勞哈爾穩定數值，在速度為 1,m/s 附近時，計算得到的 St 值變化幅度為 0.01，在此進行進一步仿真，提高三角柱渦街發生體的入口流速至 10,m/s 時，St 值的變化幅度不超過 0.02，仍然具有穩定的 St 值，也就是入口速度與渦旋脫離頻率具有良好的線性關系，因此選擇三角柱型渦街發生體作為渦街流量計值得進一步研究。