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導(dǎo)熱油流量計(jì)在蒸汽、空氣及水三種介質(zhì)下的仿真實(shí)驗(yàn)，蒸汽作為一種重要的二次清潔能源，在電廠、石油化工、食品、機(jī)械加工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和人民的日常生活中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位。為了提高蒸汽的計(jì)量水平，研究者開(kāi)發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴以及渦街流量計(jì)等多種類型的蒸汽儀表，而在眾多類型蒸汽儀表中，渦街流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、壓損小、測(cè)量時(shí)無(wú)可動(dòng)件等優(yōu)點(diǎn)在蒸汽計(jì)量中得到快速的推廣和使用。           

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用數(shù)值仿真的方法研究流體流場(chǎng)能夠?qū)崟r(shí)、直觀地觀察到流場(chǎng)的變化，對(duì)研究流場(chǎng)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。近幾年來(lái)，不少學(xué)者利用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)渦街流量計(jì)特性進(jìn)行了大量研究，然而受蒸汽高溫高壓特性和蒸汽實(shí)流標(biāo)定裝置的限制，目前還缺乏對(duì)渦街流量計(jì)在蒸汽介質(zhì)下的特性研究，本文研究的重點(diǎn)就是利用Fluent軟件對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的仿真研究，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，找到不同介質(zhì)對(duì)渦街流量計(jì)特性的影響規(guī)律。

1 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)（又稱旋渦流量計(jì)）是根據(jù)“卡門(mén)渦街”原理研制成的流體振蕩式流量測(cè)量?jī)x表。所謂“卡門(mén)渦街”現(xiàn)象就是在測(cè)量管道流動(dòng)的流體中插入一根（或多根）迎流面為非流線型的旋渦發(fā)生體，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，從旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的交錯(cuò)排列的旋渦，這種旋渦稱為卡門(mén)渦街。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦的分離頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，旋渦的頻率正比于管道流體流量，并可由各種型式的傳感器檢出，渦街流量計(jì)工作原理如圖1所示。

U—被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均流速；U1—發(fā)生體兩側(cè)的平均流速；

d—發(fā)生體迎流面的寬度；D—管道直徑。

圖1 渦街流量計(jì)工作原理圖

卡門(mén)渦街頻率計(jì)算公式為：

式中：f為旋渦頻率；Sr為斯特勞哈爾數(shù)；m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比，不可壓縮流體中，由于流體密度ρ不變，由連續(xù)性方程可得到m=U/U1。

由此可得體積流量qv為：

所以渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)K可表示為：

不同介質(zhì)對(duì)渦街流量計(jì)性能的影響終體現(xiàn)在儀表系數(shù)的差異上，所以本文使用Fluent軟件建立渦街流量計(jì)的幾何模型，然后對(duì)不同介質(zhì)下的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并仿真得到不同介質(zhì)下的儀表系數(shù)，終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到空氣和水作為替代介質(zhì)導(dǎo)致的與蒸汽實(shí)流標(biāo)定得到的儀表系數(shù)的差異。

2 仿真模型與條件的設(shè)定

2.1 仿真模型

選擇DN100口徑的渦街流量計(jì)進(jìn)行研究，利用Gambit軟件建立渦街流量計(jì)幾何模型并劃分網(wǎng)格，渦街流量計(jì)發(fā)生體橫截面網(wǎng)格如圖2所示。

Gx—軸向坐標(biāo)；Gy—縱坐標(biāo)；Gz—橫坐標(biāo)。

圖2 渦街流量計(jì)發(fā)生體橫截面網(wǎng)格圖

為了提高計(jì)算效率，渦街發(fā)生體處重點(diǎn)加密，其他區(qū)域適當(dāng)?shù)南∈琛膱D2可以看出，渦街發(fā)生體所處流場(chǎng)網(wǎng)格均勻加密。通過(guò)加密畫(huà)法，靠近渦街發(fā)生體的橫截面網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離渦街發(fā)生體而靠近管壁的網(wǎng)格較稀疏。

2.2 仿真條件設(shè)定

仿真選擇三種流體材質(zhì)，分別為空氣和蒸汽兩種可壓縮流體以及不可壓縮的水，在Fluent中空氣和蒸汽材質(zhì)通過(guò)設(shè)定氣體的密度選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不可壓縮流體選擇的密度為常數(shù)；空氣介質(zhì)選擇默認(rèn)密度1.225kg/m3，其密度設(shè)定為理想氣體，在迭代計(jì)算的過(guò)程中，根據(jù)氣體狀態(tài)方程壓強(qiáng)的變化修正流體的密度；蒸汽介質(zhì)的密度根據(jù)IF－97公式，利用UDF編程設(shè)置。

仿真模型選擇RNGk－ε雙方程湍流模型，該模型可以很好地處理高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大的流體流動(dòng)，非常適合具有旋渦脫落現(xiàn)象的渦街流場(chǎng)仿真。

3 流場(chǎng)仿真分析

根據(jù)公式（1）可知，影響渦街流量計(jì)旋渦頻率的是發(fā)生體兩側(cè)的流速U1和發(fā)生體的結(jié)構(gòu)，由于發(fā)生體結(jié)構(gòu)尺寸是固定的，因此頻率只與U1相關(guān)，需要觀測(cè)在相同入口流速U的條件下U1變化來(lái)得到頻率的變化，而速度的變化必然會(huì)導(dǎo)致流體密度的變化，因此可觀測(cè)發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖，來(lái)判斷可壓縮性對(duì)渦街流量計(jì)流速U1的影響，通過(guò)仿真得到如圖3（a）所示的不可壓縮流體發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖和如圖3（b）所示的可壓縮流體發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖。

由圖3可以看出，不可壓縮流體的密度在仿真過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生變化，可壓縮流體的密度發(fā)生了變化，必然會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)速度U1的變化?？蓧嚎s流體經(jīng)過(guò)發(fā)生體后密度變小會(huì)導(dǎo)致U1變大。

根據(jù)圖3得到的結(jié)論，對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的軟件仿真，設(shè)置三種介質(zhì)的入口流速均為50m/s，取渦街發(fā)生體迎流面?zhèn)壤庵悬c(diǎn)與管壁連線，如圖2中線段ab所示。取該線上的速度值，將蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的速度曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在靠近渦街發(fā)生體的位置，可壓縮流體流速明顯大于不可壓縮流體流速，且空氣的流速要大于蒸汽介質(zhì)的流速。因此空氣介質(zhì)受氣體可壓縮性的影響較大。

渦街流量計(jì)的計(jì)量性能終反映到儀表系數(shù)上，渦街流量計(jì)兩側(cè)的旋渦頻率決定了儀表系數(shù)的大小，圖5為仿真得到的渦街流量計(jì)渦流流場(chǎng)靜壓云圖。從圖中可以看出兩個(gè)明顯的脫落旋渦。圖中A區(qū)域靜壓大，B區(qū)域靜壓小。靜壓小的位置是C處，也就是脫落旋渦的渦心位置。檢測(cè)渦街發(fā)生體下游1D處的靜壓變化得到如圖6所示的靜壓變化圖。

對(duì)圖6中靜壓數(shù)值進(jìn)行快速傅立葉變換，得到如圖7所示的三種介質(zhì)下的旋渦脫落頻率圖。

通過(guò)讀取圖7三種介質(zhì)旋渦脫落頻率圖高點(diǎn)的頻率，可以得到空氣介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1595Hz，蒸汽介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1579Hz，水介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1559Hz。代入公式（1）可以發(fā)現(xiàn)，渦街流量計(jì)在相同管道直徑相同入口速度的情況下在水介質(zhì)中得到的儀表系數(shù)小、蒸汽次之、空氣大。說(shuō)明空氣受氣體介質(zhì)的可壓縮性影響大，在發(fā)生體兩側(cè)的密度變化率較蒸汽要大。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真分析得到的結(jié)論，利用負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置、蒸汽實(shí)流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和水流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)該結(jié)構(gòu)類型的渦街流量計(jì)進(jìn)行三種介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，各測(cè)試條件參數(shù)如表1所示。

由圖8可看出，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，空氣與水的儀表系數(shù)與仿真分析基本相符，但蒸汽介質(zhì)的儀表系數(shù)要小，這主要是因?yàn)檎羝橘|(zhì)的高溫使發(fā)生體的幾何尺寸發(fā)生變化導(dǎo)致的儀表系數(shù)的改變。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（4）：

式中：Kt為溫度為t時(shí)的儀表系數(shù)；K20為20℃時(shí)的儀表系數(shù)；α為線膨脹系數(shù)。

由公式（4）可以知道隨著溫度的升高，儀表系數(shù)會(huì)減小，因此就出現(xiàn)了圖8所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖7仿真頻率計(jì)算出的儀表系數(shù)的微小差異。

利用Fluent軟件實(shí)現(xiàn)了渦街流量計(jì)在不同介質(zhì)下的流場(chǎng)仿真，根據(jù)卡門(mén)渦街的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)比分析了空氣、蒸汽和水三種不同介質(zhì)條件下的流場(chǎng)，仿真結(jié)果表明隨著可壓縮性的增強(qiáng)，渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)隨之變大，因此在渦街流量計(jì)的或者后續(xù)檢定中盡量采用與工況相同的介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定。