摘要:为了研究涡街流量计内部流场结构,通过GAMBI软件的非结构化网格技术和FLUENT软件的RNGke模型对涡街流量计的流场进行了三维数值模拟,描绘了涡街产生和脱落过程,着重分析了壁面压力分布随涡街脱落的演变情况。结果表明:涡街流场中靠近旋涡发生体的壁面静压有较明显的波动,在距离旋涡发生体一定范围内,越靠近旋涡发生体,静压幅度越大;而在对称于管道轴线的位置,壁面静压幅度相等,相位相反。该研究为优化涡街流量计的结构设计和测量性能提供了有益的参考。
0引言
涡街流量计是近年发展势头良好.优点突出的一类新型流量测量装置。它利用在特定的流动条件下流体部分动能产生流体振动,且振动频率与流量成正比这一特征关系来进行工作。只要采用合适的检测方法从与涡街脱落相伴的周期振动的流速、压力中提取出频率,那么,就可以得到管道内被测流体的流量值川。涡街流量计的性能在很大程度上受到涡街流场结构及其内部参数的时空分布的影响。因此,研究涡街流量计内部流动特性对优化其测量性能具有十分重要的意义。
由于旋涡发生体的阻流作用,涡街在管道内的流动是强烈的非线性时变湍流,难以解析地求得流场分布情况,所以,至今人们对旋涡发生体后旋涡形成和脱落过程的认识几乎全部依赖于经验和实验。随着计算机技术的飞速发展,建立在经典流体力学与数值方法基础上的计算流体动力学为人们研究复杂流动问题提供了一种有效的解决方法,通过计算机数值计算方法和图像显示技术,可以得到在时间和空间.上定量描述流场的数值解。
目前,人们对涡街流场的数值模拟逐渐从二维过渡到和涡方法等。国内外研究人员采用了各种数值算法对不同形状旋涡发生体在不同雷诺数下进行了模拟计算。总体.上说来,在雷诺数较小时,数值模拟的结果与实际情况符合较好,但是,在雷诺数较大时,各种因素对涡街的影响十分复杂,数值模拟的结果还不尽如人意,许多问题还待于进一步深入研究。
本文利用先进的计算流体力学软件FUENT及其前处理软件GAMBII对涡街流量计内壁面压力分布进行了数值模拟,目的在于获得关于涡街流量计内部流场的定性或半定量的认识,为优化涡街流量计的结构设计和测量性能提供有益的参考。
1计算域和网格
在模拟过程中,涡街流量计的计算域简化为具有圆形进出口边界的轴对称三维几何模型,坐标原点设在旋涡发生体迎流面的中心,如图1所示。管道内径为50mm,旋涡发生体为梯形柱体,迎流面宽度为14mm.图1给出了:=0截面(=轴方向垂直纸面向外)管道和旋涡发生体的二维计算域及其网格的示意图。为了真实地模拟实际流动状况，利用GAMBI软件生成了非结构化的三角网格。由于旋涡发生体附近流场变化剧烈,因此,对其周围的网格进行了局部加密处理。不同流速的流动情况通过改变入口速度来模拟。各求解变量收敛残差值设置为1x105。入口边界设置为沿管道轴向均匀速度入口,其他方向速度均为0。出口边界设置为压力出口,压力出口处的表压为0。管道和旋涡发生体均设置为固体,并且,壁面处无滑移。
2控制方程和计算参数
与其他流动过程相同,涡街流动的数学模型也是建立在质量守恒定律.上的连续方程、动量守恒定律上的运动方程和热力学第一定律.上的本构方程基础上的。综合考虑仿真精度和计算成本,采用RNGke两方程模型。
雷诺平均NavierSlokes方程组为
式中μ为流体动力粘度;μt为流体湍动粘度;δtf为Koneck符号;k为湍流脉动动能。
式中Gk为湍流动能生成项;Gb为湍流动能扩散项;ε为流体脉动动能的耗散率;YAT为湍流动能耗散项;αk,αs。分别为kε的逆有效普朗特数;Sk,S为自定义源项。
有效粘度公式为
3结果分析
图2给出了介质为水、入口速度为15m.s1时的涡街流场中静压和动压的分布情况。其他介质和入口速度时的计算结果相似。可以看出:旋涡从涡街发生体两侧交替脱离形成涡街,分离点在梯形柱的锐边上。流体流过旋涡发生体后,旋涡在向下游运动的同时,旋涡强度也逐渐由强变弱。相应的,静压和动压也都是在旋涡发生体附近较强,在向下游运动的过程中强度也逐渐减弱。显然,旋涡的周期性变化使流场内各种参数都随之发生交替的波动,因此，通过检测涡街尾流中周期变化的某一参数可以获取涡街流动特征。由于动压的检测比较困难,需要将测量件伸入管道内,因此,不适宜作为反映涡街特性的被测特征参数。而管壁处静压的测量相对来说要简单容易得多,取压装置垂直于流动方向且位于管壁上,同时其值只需采用普通的动态压力传感器即可測得。
为了定量比较涡街流场空间中不同位置处静压的大小,图3给出了静压在计算域中平行流向的:=0,y=245mm和垂直流向的:=0,x=25mm两条直线上的计算结果。可以看到,涡街流场中靠近旋涡发生体管壁处的静压有较明显的波动,，沿流动方向静压在0~50mm区间内波动明显、幅度最大,即在距离旋涡发生体一定范围内,越靠近旋涡发生体,静压幅度越大;而在垂直流动方向上管道内壁处的静压也具有较大的幅度。图4给出了计算域中:=0平面上一对轴对称管壁处监测点P1(10,245,0)和Pi(10,24.5,0)静压的计算值。从图中可以看出:管壁处轴对称的2点静压波动的幅度和频率相等而相位相反,因此，若在靠近旋涡发生体的轴对称管壁上设置两个取压点测量差压,则可构成差动结构,获得的信号更强便于检测,通过测得的静压差可以检测管内涡街流动特性。
4结束语
1)流体流过旋涡发生体后,旋涡在向下游运动的同时，旋涡强度逐渐由强变弱,旋涡的周期性变化使流场内静压和动压等各种参数都随之发生交替的波动;
2)涡街流量计中靠近旋涡发生体的壁面静压有较明显的波动,在距离旋涡发生体.定范围内,越靠近旋涡发生体,壁面静压幅度越大,而在对称于管道轴线的位置,壁面静压幅度相等而相位相反。.
总之,涡街流量计内壁面压力可以较好地表征涡街脱落的过程,通过采用合适的检测和信号处理方法可以使人.们从多个角度来提取涡街特性。并且,关于涡街流量计内部流场的定性或半定量的认识将有助于优化涡街流量计的结构设计及其测量性能。
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