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  時(shí)間:2024-3-11 09:12:43

基于水介質(zhì)的渦街流量計流場(chǎng)仿真

摘要:利用計算流體力學(xué)數值計算仿真方法,對渦街流量計以水為介質(zhì)進(jìn)行了仿真分析,得到一些流場(chǎng)分析結果。 由渦街流量計測量原理可知,只要在流量標準裝置上測得儀表系數K,就可以得到流量。
1仿真數學(xué)模型與邊界條件
1.1仿真數學(xué)模型
  當介質(zhì)為水時(shí),由雷諾數可知,在裝置的整個(gè)流量范圍內,流量計內部的流動(dòng)為湍流流動(dòng)。采用K-ε湍流模型,結合三維不可壓縮黏性流體的N-S方程,建立封閉方程組。
  其中湍流動(dòng)能K的輸運方程和湍流耗散率ε的輸運方程分別為
 
  其中湍流運動(dòng)黏性系數ʋt與湍流動(dòng)能產(chǎn)生項P分別為
 
  式中:u一流體在軸向坐標x的速度;ʋ一流體在徑向坐標r下的速度。
  以上4組方程使用CFD仿真軟件進(jìn)行壓力-速度耦合,用有限體積法進(jìn)行離散處理,壓力采用砌體力加權離散格式,動(dòng)量、湍動(dòng)能與湍動(dòng)能耗散率均采用二階迎風(fēng)離散格式。
1.2仿真物理模型
  選擇DN50口徑的渦街流量計,利用StarCCM軟件建立渦街流量計幾何模型并劃分網(wǎng)格,渦街流量計發(fā)生體橫截面網(wǎng)格如圖1所示。
渦街流量計發(fā)生體橫截面網(wǎng)格圖
 
  為了提高計算效率,渦街發(fā)生體處重點(diǎn)加密,其他區域適當稀疏。由圖1可知,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仿真條件設定
  目前仿真僅選擇不可壓縮的水為介質(zhì),對于不可壓縮流體水密度以實(shí)驗室測量結果為依據。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變率以及流線(xiàn)彎曲程度較大的流體流動(dòng),非常適合具有旋渦脫落現象的渦街流場(chǎng)仿真。
2流場(chǎng)仿真分析
  影響渦街流量計旋渦頻率的是發(fā)生體兩側的流速U;和發(fā)生體的結構,由于發(fā)生體結構尺寸是固定的,因此頻率只與U相關(guān),需要觀(guān)測在相同人口流速U條件下的U變化來(lái)得到頻率的變化。而速度的變化必然會(huì )導致流體密度的變化,因此可觀(guān)測發(fā)生體兩側的密度云圖,從而判斷可壓縮性對渦街流量計流速U,的影響,通過(guò)仿真得到不可壓縮流體水的靜壓云圖(見(jiàn)圖2)、不可壓縮流體水的速度云圖(見(jiàn)圖3)。
 
 
  為判斷是否為充分發(fā)展流動(dòng),特測量Y軸方向的力(見(jiàn)圖4、圖5) 由圖4、圖5可知,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后流場(chǎng)處于穩定狀態(tài)。對圖5中靜壓數值進(jìn)行快速傅立葉變換,得到3種介質(zhì)下的旋渦脫離頻率圖(見(jiàn)圖6)。
 
  通過(guò)讀取圖6不可壓縮流體水的旋渦脫落頻率圖最高點(diǎn)的頻率,可得到水旋渦脫落頻率為340Hz。
3結束語(yǔ)
  利用軟件實(shí)現了渦街流量計在不可壓縮流體水的流場(chǎng)仿真,根據卡門(mén)渦街的產(chǎn)生機理,仿真出渦街流量計在不可壓縮流體水下的頻率值,為下一步進(jìn)行空氣、蒸汽計量打下了堅實(shí)的基礎。

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