摘要：通常(chang)大口徑管(guan)道的流體(ti)流速較低(di),根據渦街(jie)流量計 原(yuan)理,其産生(sheng)的渦街信(xin)号頻率和(he)幅值也很(hen)低、傳統的(de)懸🐇臂粱式(shi)渦街探頭(tou)在大口徑(jing)管道上應(ying)用時,由于(yu)其🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相對管(guan)道中軸⭕線(xian)的距離更(geng)遠,受管道(dao)振動的影(ying)響更大,無(wu)法㊙️很好地(di)進行測量(liang)采用數值(zhi)仿真軟🐇件(jian)平台Ansys+Workbench+Fluent對大(da)口徑渦街(jie)流量計 管(guan)道發生體(ti)處的流場(chang)特性進行(hang)了分析根(gen)據分析得(de)出的結☂️論(lun)結合大口(kou)徑管道發(fa)生體的機(ji)械特性,提(ti)出了位于(yu)發生體處(chu)基于差壓(ya)原理的旋(xuan)渦頻率✊檢(jian)測方💯案。
　　大(da)口徑渦街(jie)流量計(指(zhi)管道直徑(jing)超過300mm)主要(yao)用于工業(ye)管道中天(tian)然氣、蒸汽(qi)、氮氣、氫氣(qi)、空氣等介(jie)質的流💰量(liang)計㊙️量。例如(ru)：“西氣東輸(shu)”、“俄氣南下(xia)”等工程中(zhong)需要用到(dao)大量的大(da)口徑渦街(jie)流垣計進(jin)行流量計(ji)量。
　　國内外(wai)對于渦街(jie)流量計的(de)研究主要(yao)集中在中(zhong)小口徑,對(dui)于大口徑(jing)渦街流量(liang)計的研究(jiu)很少。本課(ke)題的主要(yao)來源是作(zuo)者所在💘的(de)課題組在(zai)現場調試(shi)傳統懸臂(bi)🚶‍♀️式渦街流(liu)量計♌時發(fa)現當管道(dao)口徑超過(guo)250mm時🥰,提取到(dao)的渦街信(xin)号波形嚴(yan)重失真。對(dui)懸臂式渦(wo)街探進行(hang)改進,增加(jia)探頭的🌈插(cha)入深度,又(you)極易引起(qi)共振,帶來(lai)更大的幹(gan)擾信号因(yin)此,需要研(yan)究新的🏃🏻旋(xuan)渦頻率檢(jian)測方案。
1渦(wo)街流量計(ji)工作原理(li)
　　渦街流量(liang)計利用流(liu)體振動原(yuan)理進行流(liu)量測量,在(zai)特❤️定的🤩流(liu)動條件下(xia),流體一部(bu)分動能轉(zhuan)化爲振動(dong),其振動頻(pin)🔞率與流速(su)(流量)有确(que)定的比例(li)關系。基本(ben)🐅原理是_2]：在(zai)與被測介(jie)質流向垂(chui)直的方向(xiang)放置一非(fei)流線型旋(xuan)渦發生體(ti),當流體流(liu)過該旋渦(wo)發生體時(shi),在發生體(ti)阻擋面後(hou)方兩側交(jiao)替地分離(li)釋放出兩(liang)列規則的(de)交錯排列(lie)的旋渦,稱(cheng)爲馮·卡爾(er)曼渦街,如(ru)圖1所示。

旋(xuan)渦脫落頻(pin)率f與發生(sheng)體兩側的(de)平均流速(su)V之間存㊙️在(zai)❓如下🏃‍♂️關系(xi)✍️式

　　式中,S爲(wei)斯特勞哈(ha)爾系數；d爲(wei)發生體迎(ying)流面的寬(kuan)度🔅,單化🔴爲(wei)m。斯‼️特勞哈(ha)爾系數在(zai)很寬的一(yi)段雷諾數(shu)範圍内可(ke)保🏃🏻‍♂️持不變(bian)。因此測得(de)頻率就能(neng)得到流速(su)。
2大口徑管(guan)道渦街流(liu)場仿真
　　ANSYSWorkbench仿(pang)真協同平(ping)台是通過(guo)對産品研(yan)發流程葉(ye)1仿真環境(jing)的開🌈發與(yu)實施,搭建(jian)一個集成(cheng)多學科異(yi)構CAE技術的(de)仿真系統(tong),使得整🔞個(ge)建♉模、仿真(zhen)、分析、前後(hou)處理無♋縫(feng)鏈接。
　　FLUENT軟件(jian)運用CFD軟件(jian)群的思想(xiang),具有許多(duo)優化的理(li)模型。同時(shi)采用r多種(zhong)求解,『法和(he)多重『舣1絡(luo)加速收斂(lian)技術,以此(ci)⭐來達㊙️到最(zui)佳的收斂(lian)精度FLUENT可以(yi)很舭的州(zhou)測到内部(bu)流場的變(bian)化,通過仿(pang)真結果來(lai)指物理實(shi)驗、
2．1幾何模(mo)型的建與(yu)網格劃分(fen)
　　利用ANSYSWorkbench—Geometry和ANSYSWork—bench—Mesh作(zuo)爲FLUENT的前處(chu)理模塊,對(dui)所研究的(de)流場進行(hang)幾何建模(mo)和網格劃(hua)分。在Geometry中建(jian)立大口徑(jing)管道二維(wei)❤️幾何模型(xing),如圖2和圖(tu)3所示。

　　旋渦産(chan)生于發生(sheng)體處,故将(jiang)發生體處(chu)的網格細(xi)化,選🌈用三(san)角形網格(ge),大小爲6mm。’爲(wei)節省計算(suan)資源将前(qian)後🏃兩部分(fen)的網格❌設(she)置爲四邊(bian)形網格,大(da)小爲24mm。整個(ge)網格劃分(fen)4所示。總網(wang)格數爲139194,網(wang)格質量很(hen)好。

2．2FLUENT仿(pang)真參數的(de)設
将Mesh中劃(hua)分好的網(wang)格文件導(dao)入FLUENT,進行計(ji)算設置FLUENT的(de)仿真參🐪數(shu)如下：
1)求解(jie)器(solution)：基于壓(ya)力的二維(wei)雙精度瞬(shun)态(Transient)求解器(qi)。
2)流體：空氣(qi),密度1．225kg/rn3,運動(dong)粘度1．7894xl0-5m2/s。
3)邊界(jie)條件(Boundarycondition)：人口(kou),流速入口(kou)(veloci—ty—inlet),根據需要(yao)設置不同(tong)的流速；出(chu)口,壓🚩力出(chu)口(pres—sure—outlet),零壓。
4)非(fei)穩态計算(suan)時間步長(zhang)(timestepsize)：時間步長(zhang)取決的網(wang)格大小ΔX與(yu)流速V。一般(ban)🏃🏻‍♂️取時間步(bu)長T=ΔX/V,根據波(bo)形再作适(shi)當的調整(zheng)
5)湍流模型(xing)：RNGK—?模型。
6)監測(ce)點：監測參(can)數爲渦街(jie)靜态壓力(li)(Ve~exAverageStaticPressure),具體位置(zhi)如圖5所示(shi)。差壓傳🔱感(gan)器放置位(wei)置爲将發(fa)生體的三(san)角形邊三(san)等分。

2．3仿真(zhen)數據記錄(lu)
　　将氣體流(liu)速分别設(she)置爲5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。運行(hang)100步之後,波(bo)形呈現周(zhou)期性。空氣(qi)流量爲5m/s時(shi)渦街流場(chang)的靜壓、速(su)度參數的(de)分布㊙️情況(kuang)如圖6所示(shi)。對穩定後(hou)的波形作(zuo)傅裏葉變(bian)換,如圖👌7所(suo)示。

表1～表5依(yi)次爲氣體(ti)流速爲5m/S、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s時(shi)不同取壓(ya)位置的信(xin)号㊙️記錄。


2.4數(shu)據分析
　　從(cong)表1～表5中我(wo)們可以看(kan)出,當取壓(ya)位置位于(yu)發生體🤟後(hou)時㊙️,同一流(liu)速下,壓力(li)最大的點(dian)位于發生(sheng)體後1.5d處,即(ji)P3處；當取壓(ya)位置位于(yu)發生體處(chu)時,同一流(liu)速下,壓力(li)變化🌈不大(da),隻有PD3明顯(xian)小于PD2和👉PD1。爲(wei)了兼🐪顧到(dao)渦街信号(hao)的穩定性(xing),應盡量将(jiang)差壓傳感(gan)器安裝在(zai)離發生體(ti)迎流遠的(de)🐅位置,因此(ci)取PD2處。不同(tong)流速下P3和(he)PD2處的壓❄️力(li)對比,如圖(tu)8所示。

由圖(tu)8中曲線可(ke)知,PD2處的壓(ya)力明顯大(da)于P3處,且其(qi)值越爲4倍(bei)關系🆚。
3試驗(yan)結論
　　大口(kou)徑渦街信(xin)号發生體(ti)的尺寸通(tong)常很大,所(suo)以其♌結構(gou)爲鋼闆拼(pin)接的中空(kong)結構。發生(sheng)體的沿管(guan)道方向的(de)長度較長(zhang)🏃,足以保證(zheng)渦街信号(hao)穩定形成(cheng)。且由上面(mian)仿真的結(jie)論可知PD2處(chu)的渦✍️街信(xin)号強度爲(wei)P3處的4倍左(zuo)右。因此,本(ben)文提出了(le)如圖9所示(shi)的漩渦頻(pin)率檢測裝(zhuang)置。

　　進一步(bu)的研究還(hai)需要制作(zuo)旋渦發生(sheng)體實物,在(zai)實🐪際的大(da)口徑管道(dao)上驗證方(fang)案的可行(hang)性,測試其(qi)抗振動性(xing)、重複性等(deng)。

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