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摘要：對于渦街流量計的旋渦發(fā)生體的仿真研究主要集中在形狀和尺寸上，但在現(xiàn)場復(fù)雜工況環(huán)境的情況下，發(fā)生體的位置并不是固定不變的，會存在安裝偏差。為了很好的分析發(fā)生體安裝偏差帶來的信號強(qiáng)度發(fā)生變化的問題，確定不影響信號強(qiáng)度的最大偏差角度，采用三角柱型發(fā)生體，在Ansys+Workbench＋FLUENT數(shù)值仿真軟件平臺環(huán)境下，根據(jù)渦街流量計的實際物理結(jié)構(gòu)尺寸建立仿真模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、求解，將仿真得到的升、阻力頻率相比較，得出阻力頻率正好是升力頻率的2倍，表明可以利用FLUENT軟件對渦街流量計進(jìn)行三維流場數(shù)值仿真。最后利用FLUENT軟件，通過改變管截面與截流面的夾角，在低、中、高速流速下，對其進(jìn)行取壓，將得到的信號強(qiáng)度和頻譜分布進(jìn)行比較分析，得出夾角與信號強(qiáng)度的關(guān)系：夾角在1°～7°范圍，對信號強(qiáng)度的影響不大，超過7°以后影響變大。
1引言
　　隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)計算流體力學(xué)（cmputational fluid dynamics,CFD）也隨之而生［1］。它是對純理論和純實驗方法很好的促進(jìn)和補(bǔ)充。ＣＦＤ作為一門新興學(xué)科，它力求通過數(shù)值實驗替代實物實驗，采用虛擬流場來模擬真實流場內(nèi)部的流體流動情況，從而使得實驗研究更加方便，研究場景更加豐富可編程［2－5］。
　　FLUENT軟件提供了多種基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的復(fù)雜物理模型，并針對不同物理問題的流動特點(diǎn)創(chuàng)建出不同的數(shù)值解法［6］。用戶可根據(jù)實際需求自由選擇，以便在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到好的，提高設(shè)計效率。
　　關(guān)于渦街流量計的發(fā)生體數(shù)值模擬研究，主要集中在渦街發(fā)生體形狀和尺寸上［7－10］。Ｙａｍａｓａｋｉ指出發(fā)生體的形狀與幾何參數(shù)和渦街流量計的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、重復(fù)性、測量范圍）與阻力特性存在相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)關(guān)系。Ｓ．Ｃ．Ｌｕｏ等人研究旋渦發(fā)生體尾緣形狀以及迎流角度對渦街性能的影響，在風(fēng)洞和水槽實驗中，得出在全長相等的情況下，旋渦強(qiáng)度隨尾緣夾角的增大而減小。彭杰綱等人在50mm口徑管道氣流量實驗中，通過對不同尾緣夾角角度的旋渦發(fā)生體進(jìn)行實驗研究，得出旋渦發(fā)生體尾緣的夾角為41．8°時具有很好的線性度。賈云飛等人通過對二維渦街流場中的壓力場進(jìn)行數(shù)值仿真研究，得出Ｔ形發(fā)生體產(chǎn)生的旋渦信號的強(qiáng)度要優(yōu)于三角柱發(fā)生體。
　　渦街流量計利用流體振動原理進(jìn)行流量測量［11］。選取了應(yīng)力式渦街流量計進(jìn)行研究。它通過壓電檢測元件獲取電壓頻率，再根據(jù)流體流量與渦街頻率成正比得出被測流量。在過去的渦街流量計研究中，一直將研究重點(diǎn)放在真實流場實驗中，但這需要重復(fù)更換口徑、調(diào)節(jié)流量，大大降低了工作效率。為解決此問題，采用三維渦街流場數(shù)值分析的方法對內(nèi)部流場的變化進(jìn)行研究。
　　通過FLUENT軟件對三維渦街流場進(jìn)行數(shù)值仿真，并將不同流速下的升、阻力系數(shù)進(jìn)行比較，驗證數(shù)值仿真可行性。并通過改變管截面與截流面之間的夾角，在低、中、高速流速下，進(jìn)行取壓，最終得出隨著夾角的不同，信號強(qiáng)度不同。夾角在1°～7°范圍，對信號強(qiáng)度的衰減影響不大，超過7°以后對信號強(qiáng)度影響變大，并隨著流速的增加，趨勢越來越強(qiáng)。
2升、阻力系數(shù)
　　旋渦脫落時，流體施加給柱體一個垂直于主流的周期性交變作用力，稱為升力［12］。由于柱體兩側(cè)交替的釋放旋渦時，剛釋放完渦流的一側(cè)柱面，擾流改善，側(cè)面總壓力降低；將要釋放渦流的另一側(cè)柱面，擾流較差，側(cè)面總壓力較大，從而形成一個作用在三角柱上、方向總是指向剛釋放完渦流那一側(cè)的作用力，所以升力的交變頻率和旋渦的脫落頻率一致，升力的變化規(guī)律和旋渦的變化規(guī)律一致，因而通過監(jiān)視柱面上的升力變化規(guī)律，可以反映旋渦脫落規(guī)律。阻力系數(shù)反映的是柱體迎流方向上的作用力變化情況，每當(dāng)柱體兩側(cè)不管哪一邊的釋放旋渦一次，迎流方向上的作用力都會隨壓力變化有規(guī)律地變化一次，因此，升力系數(shù)變化的一個周期內(nèi)，阻力系數(shù)變化為兩個周期。
3三維渦街流場模擬的可行性分析
3．1幾何建模與網(wǎng)格劃分
　　圖1是在ANSYS Workbench中建立的三維渦街流量計幾何模型。其中管道口徑50mm，管道長1000mm，旋渦發(fā)生體截流面寬度14mm，管截面與截流面夾角為α。

對幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，作為數(shù)值模擬的載體，如圖2所示。

3．2仿真參數(shù)設(shè)置
在FLUENT中，三維渦街流場參數(shù)設(shè)置如下：
1）流體：空氣（ａｉｒ）；
2）湍流模型：Renormalization-group(RNG)ｋ－ε模型；
3）邊界條件
①流速入口邊界：根據(jù)需要設(shè)置不同流速、湍流動能和耗散率；
②壓力出口邊界：零壓；
4）求解器：基于壓力的三維雙精度瞬態(tài)求解器；
5）數(shù)值計算過程：SIMPLE算法。
3．3升、阻力變化頻率的計算結(jié)果及分析
圖3所示速度等值。三維渦街流場在夾角為0°，入口流速為5m/s的情況下的速度等值線圖。

　　通過仿真模擬，圖4給出流速ｕ＝5m/s時，作用在三角柱上的升力系數(shù)和阻力系數(shù)變化曲線。由圖5升力系數(shù)的ＦＦＴ曲線可以看出其頻率為ＦＬ＝87．92Ｈｚ。從圖6阻力系數(shù)的ＦＦＴ曲線可以看出其頻率為ＦＤ＝176．43Ｈｚ，約為升力系數(shù)變化頻率的2倍。



　　為了驗證將FLUENT用于渦街流量計的三維流場仿真的可行性，對不同流速下的升、阻力頻率進(jìn)行比較，如表1所示。可以看出阻力系數(shù)變化頻率是升力系數(shù)變化頻率的2倍，說明用FLUENT進(jìn)行渦街流量計的三維仿真是可行的。

4仿真結(jié)果
　　基于上述通過升、阻力變化頻率的關(guān)系驗證出利用FLUENT對三維渦街流場進(jìn)行仿真是可行的。應(yīng)用FLUENT對截流夾角、流速和信號強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真研究。分別取7m/s、40m/s和70m/s的流速，α的角度在0°～10°范圍內(nèi)取值（發(fā)生體的安裝偏差一般不會超過10°），進(jìn)行數(shù)值仿真。記錄信號強(qiáng)度，如表2所示。

　　將表2的數(shù)據(jù)繪制成圖7，將圖7中流速為7m/s的數(shù)據(jù)放大如圖8所示。觀察圖7、8，可以直觀的反應(yīng)出夾角、流速與信號強(qiáng)度的關(guān)系變化。通過對比這3張圖可以看出，信號強(qiáng)度隨著夾角、流速的不同而不同。并從圖中得出結(jié)論：
1）渦街的信號強(qiáng)度與流速成正比，隨著流速的增加，旋渦脫落頻率信號強(qiáng)度會顯著增加。
2）在流速相同的情況下，隨著夾角的增大，信號強(qiáng)度逐漸減小，并隨著夾角的增大，信號強(qiáng)度的衰減程度也逐漸增大。夾角在1°～7°范圍，對信號強(qiáng)度的衰減影響不大，可忽略，超過7°以后對信號強(qiáng)度影響變大，不可忽略3）在夾角相同的情況下，隨著流速的增大，信號強(qiáng)度衰減趨勢越來越明顯。


5結(jié)論
　　流場仿真在渦街流量計的設(shè)計和完善中正變得越來越重要，它通過理論支持指導(dǎo)仿真的可實施性，并將仿真結(jié)論用于實驗中，提高效率。通過模擬三維渦街流場三角柱繞流現(xiàn)象，將升、阻力頻率進(jìn)行對比，驗證了可將FLUENT用于三維渦街流場的仿真中。并從不同流速和不同截流夾角兩方面分別考慮，對比分析了三維渦街信號的信號強(qiáng)度，得出夾角在1°～7°范圍，對信號強(qiáng)度的影響不大，超過了7°以后影響變大。從而為以后的實驗做出理論指導(dǎo)。進(jìn)一步的研究可以通過對不同形狀的旋渦發(fā)生體取不同截流夾角和不同流速進(jìn)行仿真對比研究。

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