不同安裝條件下渦街流量計流場特性的數(shù)值仿真研究

摘要：為研究不同管道條件對渦街流量計測量結(jié)果及內(nèi)部流場產(chǎn)生的影響，該文針對2種不同直管段長度時渦街流量計的旋渦脫落頻率進(jìn)行仿真計算與實驗測試，結(jié)果顯示仿真計算與實驗測試結(jié)果具有較好的一致性，驗證數(shù)值仿真用于渦街流量計流場分析的可行性。在此基礎(chǔ)上，對上下游直管段長度不足、上游有單個90°彎頭、下游有單個90°彎頭這3種管道條件下共13種不同長度情況對應(yīng)的渦街流量計的流場特性進(jìn)行了仿真計算，結(jié)果表明，前端直管段長度的減少對測量結(jié)果的影響較后直管段更為明顯;信號強度與直管段長度沒有直接關(guān)系;前端有彎頭時，頻率值大幅降低，最大誤差達(dá)-60.62%，彎頭離旋渦發(fā)生體越近，降幅越大;后端有彎頭對測量結(jié)果影響相對較小，最大誤差為-13.23%。

關(guān)鍵詞：渦街流量計;管道條件;安裝影響;旋渦脫落頻率;流場特性;數(shù)值仿真

中圖分類號：TB937 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0110-06

收稿日期：2019-01-30;收到修改稿日期：2019-03-12

作者簡介：陳文琳（1988-），女，甘肅武威市人，工程師，博士研究生，研究方向為工程流體力學(xué)。

0 引言

渦街流量計自20世紀(jì)60年代末開始研制以來，發(fā)展非常迅速，可適用于液體、氣體、蒸汽，是一種比較先進(jìn)、理想的流量儀表[1]。但渦街流量計尚屬發(fā)展中的流量計，其理論基礎(chǔ)及實踐經(jīng)驗均較為缺乏，所以仍需對渦街流量計做大量的基礎(chǔ)研究，避免在實際使用過程中產(chǎn)生一些預(yù)料不到的問題。

渦街流量計在使用過程中對所需直管段長度及管壁粗糙度都有一定要求，其校準(zhǔn)結(jié)果及流量的穩(wěn)定性取決于上下游直管段的長度以及節(jié)流部件的組成，只有滿足相應(yīng)的要求，渦街流量計才能保持相應(yīng)精度[2]。上游彎頭會使管道中產(chǎn)生不對稱回旋流，旋渦的存在會影響取壓口附近壁面的壓力分布，進(jìn)而影響流量計的計量結(jié)果[3]。英國薩里大學(xué)和英國國家工程實驗室[2]、日本國家計量科學(xué)研究院[4]、天津大學(xué)的鄭丹丹等[5]都分別針對不同安裝條件下的渦街流量計測量性能的變化開展了實驗研究。實流實驗可以得到一定條件下的具體測量結(jié)果，但卻無法觀察到管道內(nèi)部流場的變化及特性。

用數(shù)值仿真方法研究流體流場能夠?qū)崟r直觀地觀察到流場的變化，對研究流場的具體特性具有很強的指導(dǎo)意義。近年來，不少學(xué)者利用計算機(jī)仿真對渦街流量計特性進(jìn)行了大量研究[6-8]。為了準(zhǔn)確獲取渦流發(fā)生器后面渦旋脫落的主要頻率，Jian-LinChen[9]進(jìn)行了一系列數(shù)值試驗，以確定管道中的各種人口流動條件如何影響特定渦街流量計中渦流發(fā)生器下游的主要頻率的特征。蘇慶文[10]利用計算流體力學(xué)數(shù)值計算仿真方法，對渦街流量計在不同介質(zhì)下（空氣、蒸汽、水）的流場特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于受氣體可壓縮性等物理特性影響，渦街流量計的流場存在差異，導(dǎo)致測量結(jié)果在不同介質(zhì)條件下存有偏差。彭能[10]利用CFD對大口徑管道渦街發(fā)生體處的流場特性進(jìn)行了分析。根據(jù)分析得出的結(jié)論結(jié)合大口徑管道發(fā)生體的機(jī)械特性，提出了位于發(fā)生體處基于差壓原理的旋渦頻率檢測方案。宋佳憶[11]則探索了三維流場中渦街流量計的最佳取壓位置，得出目前最常用的三角柱旋渦發(fā)生體的最佳取壓位置位于管道中軸線，距離發(fā)生體尾部1.4d處。

本文經(jīng)實驗驗證仿真方法的可行性后，利用ANSYSFLUENT流體計算軟件對不同上下游（即流量計前后端）直管段長度下渦街流量計的旋渦脫落頻率進(jìn)行了仿真計算，研究不同管道條件對渦街流量計測量結(jié)果及內(nèi)部流場產(chǎn)生的影響，并對相關(guān)原因進(jìn)行了分析。

1 渦街流量計測量原理

渦街流量計利用流體振動原理進(jìn)行流量測量，在特定的流動條們下，流體一部分動能轉(zhuǎn)化為振動，期辰動頻率與流速（流體流量）有確定的比例關(guān)系。

在與被測介質(zhì)流向垂直的方向放置一非流線型旋渦發(fā)生體，當(dāng)流體流過該旋渦發(fā)生體時，在發(fā)生體迎流面后方兩側(cè)交替分離釋放出兩列規(guī)則的旋渦[12]。渦街發(fā)生過程及流量測量過程如圖1所示。

管道內(nèi)流體平均流速v、旋渦脫落頻率f關(guān)系為

ν=f·m·d/S_t式中：ν——被測流體的流速，m/s;

f——旋渦脫落頻率，Hz;

m——旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積之和與管道的橫截面之比;

d——旋渦發(fā)生體的截流面寬度，m;

S_t——斯特勞哈爾數(shù)。

在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，S_t可視為常數(shù)[13]，渦街流量傳感器通過檢測旋渦頻率f，利用上式來測定流體流速，進(jìn)而得到流量值。

2 渦街流量計流場仿真

2.1 仿真模型建立與計算條件設(shè)定

利用ANSYSICEM建立相應(yīng)管道的二維幾何模型，并劃分網(wǎng)格。模型分為前后為直管段、前端有單個90°彎頭、后端有單個90°彎頭3種管道條件。旋渦發(fā)生體的尺寸見圖2，設(shè)計模擬管道示意圖見圖3，其中D為管道直徑50mm，n為變量，表示不同管道長度。

將ICEM中建好的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行仿真計算，針對渦街流場為非定常流動，且雷諾數(shù)較高等條件，F(xiàn)LUENT中的求解條件設(shè)置如下，其余參數(shù)保持初始設(shè)定：

1）求解器：基于壓力的二維雙精度瞬態(tài)求解器，采用simplec算法;

2）湍流模型：RNG k-ε模型;

3）流體屬性：①空氣;②密度：1.225kg/m³;③運動粘度：1.7894×10^-5m²/s;

4）邊界條件：①入口：速度入口（根據(jù)需要設(shè)置不同的流速）;②出口：壓力出口（零壓）;

5）時間步長：取決于網(wǎng)格大小AX和流速v，T=△X/ν，根據(jù)波形再做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;

6）監(jiān)測點：監(jiān)測參數(shù)為旋渦發(fā)生體后0.7d處的靜態(tài)壓力。

2.2 仿真結(jié)果分析

以前后端均為充足直管段長度的仿真模擬結(jié)果作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。調(diào)整空氣介質(zhì)人口流速分別為5m/s、10m/s、20m/s、30m/s，取壓監(jiān)測點設(shè)在旋渦發(fā)生體后0.7d處，運行一定步數(shù)后，波形呈現(xiàn)周期性。對于不同的入口速度，管道內(nèi)旋渦產(chǎn)生、速度場以及壓力場的分布情況相似，區(qū)別僅在于旋渦脫落頻率f及振幅不同，以管道長度為前10D后10D、空氣流速為30m/s時計算結(jié)果為例來進(jìn)行分析：圖4展示了旋渦發(fā)生體后一定周期內(nèi)的旋渦脫落情況，發(fā)生體兩側(cè)旋渦依次交替形成和脫落，方向相反，隨著流體流動旋渦強度逐漸減弱。

圖5展示了監(jiān)測點處隨著旋渦的形成和脫落所產(chǎn)生的靜壓力分布及演變情況，壓力隨著旋渦的發(fā)生、脫落而隨之周期性變化。

圖6（a）為相應(yīng)條件下監(jiān)測點所承受靜壓力的變化情況，從圖中可以看到該監(jiān)測點的靜壓力隨著時間呈周期性變化。為了得到與其對應(yīng)的頻率值，對該結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換（FFT），從而得到旋渦的脫落頻率及對應(yīng)的信號強度（圖6（b））。

3 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的比較

為了與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，在新疆計量測試研究院臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（負(fù)壓法）上進(jìn)行了實驗，裝置信息：U_rel=0.25%（k=2），流量范圍為0.1～15000m³/h，是在用的社會公用計量標(biāo)準(zhǔn)。實驗設(shè)備采用工業(yè)中常用的壓電式渦街流量計，口徑為DN50mm，旋渦發(fā)生體尺寸與仿真模擬的尺寸相同，渦街流量計標(biāo)定精度為1.5級。實驗用管道條件取前10D后10D和前5D后10D兩種情況，實驗條件與仿真定義的條件基本相同。

圖7、圖8所示為仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的比較，表1為仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)間的誤差。從仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)比較的結(jié)果來看兩者較為接近，最大誤差僅為-3.98%，說明應(yīng)用FLUENT進(jìn)行流場仿真計算，能夠比較真實地反映實際條件下旋渦脫落的頻率，仿真結(jié)果是可信的，因此將FLUENT數(shù)值仿真用于不同安裝條件下渦街流量計的流場特性的研究也是可行的。

4 不同管道條件下的仿真結(jié)果分析

基于以上可行性分析，對渦街流量計在前后端均為直管段、前端、后端分別有90°彎頭時的流場特性進(jìn)行了研究。

4.1 前后端均為直管段

前后端均為直管段的情況分為前10D后10D、前5D后10D、前5D后3D、前3D后1D、前1D后1D共5種情況。具體計算結(jié)果見圖9。從計算結(jié)果可以看出，隨著直管段長度的縮短，頻率值整體呈下降趨勢，并且前端直管段長度的減少對結(jié)果影響更為明顯。但從圖10可以看出，頻率信號強度即振幅值與直管段長度沒有直接關(guān)系。

4.2 前端有90°彎頭

前端有90°彎頭的情況分別取前端1D、3D、10D、20D、30D、40D處有彎頭，后端直管段長度均取5D，以前10D后10D直管段的數(shù)據(jù)為參考，各管道條件下的計算結(jié)果如圖11所示。

可以看出，前端有彎頭時直管段長度越短，也就是彎頭離旋渦發(fā)生體越近，得出的頻率值即管道內(nèi)的流量值越小，隨著直管段長度增加，頻率值逐漸增加，當(dāng)前端直管段長度增加至40D時，計算結(jié)果才與前后直管段充足時的結(jié)果接近，也就是說，在實際使用過程中，如果前端有90°彎頭，那么前直管段長度不得低于40D。各管道條件下的頻率誤差見表2。

以前1D彎頭后5D直管段的管道條件下、速度為30m/s時的流場情況為例來分析相關(guān)流場特性。從流場的壓力云圖（圖12（a））來看，由于彎頭的存在使得流體在管壁兩側(cè)的壓力分布不均，外側(cè)壓力增大，內(nèi)側(cè)壓力減小，流速增大時內(nèi)側(cè)甚至形成空穴;速度矢量圖（圖12（b））顯示了管道內(nèi)流體整體流動情況，壓力較小的地方以及速度較快的部分速度矢量密度都比較大。

速度云圖（圖13）則充分體現(xiàn)出了管壁兩側(cè)壓力不均帶來的影響：管壁外側(cè)由于壓力較高，旋渦脫落的更快，而內(nèi)側(cè)由于壓力較低旋渦脫落較慢，導(dǎo)致發(fā)生體兩側(cè)旋渦交替脫落的頻率減小，即計算結(jié)果偏小。

4.3 后端有90°彎頭

后端有90°彎頭的情況分別取前端10D直管段后端5D有彎頭、前端10D直管段后端1D有彎頭、前端1D直管段后端5D有彎頭、前端1D直管段后端1D有彎頭4種情況，同樣以前10D后10D直管段的數(shù)據(jù)為參考，各管道條件下計算結(jié)果見圖14，頻率誤差見表3。

從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)前直管段長度為10D滿足安裝要求時，后端有彎頭對計算結(jié)果影響較小，最大誤差僅為4.01%;但當(dāng)前直管段僅為1D時，后端有彎頭的影響更為顯著，誤差最大擴(kuò)大到-13.23%，因此在實際使用過程中，如果后端有90°彎頭，在前直管段長度充足的條件下，應(yīng)控制后端直管段長度不低于5D才能在一定程度上保證測量精度。

從速度云圖（圖15）可以看出，與前端有彎頭時的情況恰恰相反，后端有彎頭時管道內(nèi)側(cè)的旋渦脫落頻率較快，外側(cè)相對較慢，但整體上也會導(dǎo)致監(jiān)測點的壓力變化頻率減慢，即計算結(jié)果也會偏低，這與實際情況吻合。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文用實驗驗證了前后均為直管段時的兩種數(shù)值仿真計算結(jié)果，并對前后均為直管段但長度不足、前端有90°彎頭、后端有90°彎頭這3種管道條件下對頻率值的輸出影響進(jìn)行了研究，得出結(jié)論具體如下：

1）仿真結(jié)果與實驗結(jié)果有較好的一致性，表明用數(shù)值仿真的方法對渦街流量計流場特性進(jìn)行分析是可行的;

2）前后直管段不足時，直管段長度越短，輸出的頻率值越小，對應(yīng)計算出來的流量就會越小，并且前端直管段長度的減少對結(jié)果影響更為明顯;同時，輸出的頻率信號強度即振幅值與直管段長度沒有直接關(guān)系;

3）當(dāng)管道前端有90°彎頭時，頻率值大幅降低，彎頭離旋渦發(fā)生體越近，降幅越大;當(dāng)前直管段長度增加值40D時，計算結(jié)果才與前后直管段充足時的結(jié)果接近;

4）管道后端有90°彎頭時，當(dāng)前直管段長度為10D滿足安裝要求時，后端有彎頭對計算結(jié)果影響較小;但當(dāng)前直管段僅為1D時，后端有彎頭的影響更為顯著，誤差最大擴(kuò)大到一1323%。

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（編輯：劉楊）