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  時間:2022-10-24 08:31:54

繞流渦街及渦街流量計流場數值仿真

摘要:基于渦街理論,分別對圓形阻流體、正方形阻流體和三角形阻流體所形成的渦街場進行仿真研究,同時對三種阻流體對應的渦街流量計進行數值仿真,分析流量計中應變片對三種阻流體流場壓力和速度的影響.結果表明,應變片改變了流場振蕩的頻率,三角形渦街流量計的壓力損失最小.
0引言
  渦街是在一定條件下的定常流繞過阻流體時,物體兩側周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦.渦流的產生使得阻流體兩側流體的瞬間速度和壓力不同,因此使阻流體發生振動.渦街流量計通過嵌人到流體中的漩渦發生體得到產生的交替漩渦的頻率,通過頻率與流速成正比的關系來測量流速.
  本文基于渦街理論,分別對圓柱阻流體,正方阻流體和三角形阻流體三者進行數值模擬,并且對三種阻流體對應的渦街流量計中的壓電傳感器片對流場的壓力、速度等參數的影響進行分析.
1數值模型
  圖1所示方形渦街流量計的計算流場圖,流場中繞流體中心距流場入口距離設為L=0.2m,.阻流體迎風寬度設為w=0.04m,流場速度設為0.01m/s.
 

  數值計算滿足質量、動量、能量守恒方程,如方程(1)、(2)和(3)所示.選擇隱式非穩態模型,采用有限體積法中的SIMPLEC(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquationsConsistent)協調性壓力耦合方程組的半隱式,計算采用二階迎風格式。
 
2數值模型三種阻流體和對應流量計算結果及分析
  本文針對圓形、正方形和三角形三種阻流體分別進行壓力和速度的分析,并對流場中中心線上的壓力和速度變化進行具體闡述.
2.1三種阻流體壓力流場分析
  圖2為三種阻流體渦街場和渦街流量計流場總壓力分布云圖.由圖所示,圓形阻流體后部流場中漩渦交替分布比較有規律,渦街現象明顯.對于正方形阻流體,距離阻流體較近時,仍能看到比較明顯的漩渦分布,而后漩渦逐漸散開.對于三角形阻流體,低壓漩渦形狀比較圓整,漩渦分布比正方形阻流體規則.另外,不同形狀阻流體的分離點不同,圓柱沒有其固定分離點,整個半圓面都可以;正方形的分離點則會出現在前方尖點及附近邊或者后方尖點及附近邊;三角形則有其固定分離點,主要集中在前方兩個尖點及其附近的邊上.對于渦街流量計流場,由于應變片在阻流體后的加入,改變了流場中擾動的頻率,三種不同流量計的流場中頻率均變低,這是因為液體在遇到金屬應變片之前還未形成規則的漩渦,在金屬應變片邊緣發生剝離,由于三種阻流體的剝離點影響,低壓場的范圍三角形最大,正方形次之,圓形最小。
 
  由圖可以看出,阻流體前端的壓力保持恒定,而后在阻流體和應變片之間流場,壓力急劇下降,形成局部低壓區.正方形渦街流量計壓力變化應變片的后端波動較大,圓形渦街流量計次之,三角形渦街流量計應變片后的壓力變化比較平穩。
2.2三種阻流體流場中心線速度分析
  圖3為三種阻流體渦街流場中心線速度分布,以流場左側人口為位置初始點,橫坐標為中心線上各點到初始點的距離,縱坐標為速度大小.由圖可以看出,初始流速大小相同,當遇到阻流體時,流速急速下降,在阻流體中心點0.2m前后對應的兩個位置處速度降為0,形成速度駐點.比較不同阻流體,對于圓形阻流體,阻流體后的流速發生周期振蕩并有上揚趨勢;對于正方形阻流體,阻流體后的流速發生一定振蕩;對于三角形阻流體,阻流體后的流速振蕩比較明顯.這表明阻流體在流場中引起的擾動比較大,使得阻流體后的速度發生不規則振蕩.
 
  圖4為三種阻流體渦街流量計流場中心線速度分布.在渦街流量計流場中,流速在阻流體前急劇下降,阻流體前后對應的兩個位置處為速度駐點,并在應變片前部形成了新的速度駐點.與圖3相比,阻流體前流速變化相同,由于應變片的嵌人,后部的流速震蕩頻率變低,并且渦街流量計流場的最大速度和平均速度要比對應的阻流體渦街場小對于圓形阻流體流量計流場,應變片后部的速度振蕩頻率約為渦街流場的一-半.對于正方形阻流體,應變片后最高速度的位置從0.83m提前至0.7m處.對于三角形阻流體,應變片后的流速明顯變得平滑,尤其是從0.4m開始,振蕩周期變大,同時速度在0.65m處為最大值,隨后逐漸下降.
2.3三種阻流體壓力損失
  表1所示為不同阻流體壓力損失計算值,由表可以看出,相同條件下,不同形狀的阻流體的流場中,對應的壓力損失是不同的.圓形阻流體所產生的壓力損失最大,正方形次之,三角形阻流體的渦街場壓力損失最小.比較不同形狀阻流體流量計可以看到,圓形阻流體流量計流場的壓力損失最大,三角形阻流體的壓力損失最小.結果顯示,壓力損失變化趨勢與三種阻流體壓力損失變化相同,壓力應變片的嵌人,只是略微增加了壓力損失,并沒有改變三種阻流體壓力損失之間的大小對比關系.在三種不同形狀阻流體流量計中,三角形渦街流量計的壓力損失最小。
 
3結論
(1)在相同條件下,圓形繞流體仿真場可以得到規律的渦街現象.不同形狀阻流體的分離點不同,圓柱沒有其固定分離點,整個半圓面都可以;正方形的分離點則會出現在前方尖點及附近或者后方尖點及附近;三角形則有其固定分離點,主要集中在前方兩個尖點及其附近的邊上;
(2)渦街流量計的阻流體和傳感器應變片之間會形成一片低速低壓局部場,渦街流量計流場的最大速度和平均速度要比對應的阻流體渦街場小;
(3)三種不同渦街流量計的振蕩頻率要低于對應的渦街場,比較不同形狀阻流體渦街流量計,三角形渦街流量計的壓力損失為最小.

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