摘要：目前對于渦街流量計漩渦發(fā)生體的位置研究僅局限于二維的仿真研究，但實際流體撞擊漩渦發(fā)生體是流體三維模型。鑒于二維仿真并不能完全對實際流體撞擊漩渦發(fā)生體的流場進行驗證，采用數值仿真軟件平Ansys+Workbench+FLUENT，根據實際渦街發(fā)生體的機械尺寸建立相應的三維仿真模型。并對仿真模型進行網格細分，再通過N—s方程進行求解計算，通過仿真與在線實驗對比驗證表明通過FIUENT軟件對實際渦街流場進行仿真的可行性。最終利用FLUENT軟件，對不同流速，通過調整發(fā)生體平移的位置最終確定發(fā)生體位置對渦街信號的影響，從而確定發(fā)生體允許最大的平移位置占。
1引言
　　隨著渦街流量計在國內各行各業(yè)的使用量逐漸增大，各高校、研究所和流量計生產廠商的學者和研究人員也對此展開了各方面的研究，渦街流場的數值仿真的研究和實現也是其中一個重點]。
　　基于渦街流量計的測量原理渦街發(fā)生體的設計要求就尤為重要，而在實際設計生產當中不能保證發(fā)生體的中心位置在管道的中軸線上，發(fā)生體與管道中軸線偏離多少會對最終的測量產生影響需要重復更換發(fā)生體，操作起來費時費力。鑒于以上原因對進行對渦街發(fā)生體移動位置進行仿真研究，通過仿真結果來指導物理實驗，并根據物理實驗結果進一步完善傳感器結構。
2渦街流量計原理
　　渦街流量計利用流體振動原理進行流量測量，在特定的流動條件下,流體-部分動能轉化為振動,其振動頻率與流速(流量)有確定的比例關系。1878年斯特勞哈爾(Strouhal)發(fā)表了關于流體振動頻率與流速關系的文章的。渦街流量計的基本原理是:在與被測介質流向垂直的方向放置--個非流線型旋渦發(fā)生體，當流體流過該旋渦發(fā)生體時，在發(fā)生體后方兩側交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交錯排列的旋渦，稱為馮.卡爾曼渦街們，如圖1所示。當旋渦發(fā)生體右(或左)下方產生一個旋渦后，在旋渦發(fā)生體上產生一個升力。在旋渦發(fā)生體的后方安裝應力式壓電傳感器，可以將作用在旋渦發(fā)生體上的升力轉換為電荷信號。該電荷信號的變化頻率與旋渦的脫離頻率一.致。通過檢測電荷信號的變化頻率，就可以得到旋渦的分離頻率口。

3渦街流場模型分析
　　雷諾時均方程的方法求解出來的是流動變量的針對時間的平均值.無法給出流場結構的詳細信息，體現不出湍流流動的瞬時性特點。大渦模擬(LargeEddySimulation,LES)是近代湍流研究中,用計算機直接求解N-S方程的一種方法,它從空間的角度對大渦進行直接模擬，對小渦進行模型化處理，從而使得網格要求比DNS低。其基本思想是;將流動的區(qū)域分為兩個部分:一部分是可通過求解定常三維N-S方程獲得的大尺度渦旋流動部分，另一部分是不需要直接計算可采用通用模型獲得的小尺度部分。
　　LES的控制方程是對N-S方程在波數空間或物理空間進行過濾得到的。過濾的過程是去掉比過濾寬度或者給定物理寬度小的旋渦，從而得到大旋渦的控制方程。對于均勻湍流,常用卷積濾波定義變量的大尺度成分:


　　為了直觀得到渦街信號真實的流動曲線及流場分布,本課題采用LES湍流模型來模擬渦街流場。在CFD-Post中.選用二階迎風差分格式及SIMPLE算法”進行仿真。如圖2為流體流經三角柱發(fā)生體時的流線圖，可以從圖中清晰地看到旋渦的產生、脫落,以及渦街流量計的工作流場。

4三維渦街流場仿真
　　通過FLUENT軟件對實際管道中的流場進行仿真,其中在使用FLUENT設置相關參數時是根據實際管道中發(fā)生體的尺寸進行配置,圖3為實際管道中發(fā)生體在管道中平移后的三視圖。

　　發(fā)生體中心線平行于基準軸線。這種情況下，會產生位置偏差，平移距離記作δ。如圖4所示。

　　在Geometry中建立發(fā)生體中心線平行于基準軸線的三維幾何模型。如圖5所示。


　　可以從圖7中看出即使發(fā)生體位置與理想位置存在偏差，仍然會出現旋渦脫落現象。并且當發(fā)生體上側的旋渦從產生到脫落時.發(fā)生體下側在為旋渦的產生做準備，而不會產生旋渦。同時當上側旋渦離開發(fā)生體一段距離以后，下側才開始出現旋渦。
　　發(fā)生體在理想位置時產生的旋渦是交替排列的，而發(fā)生體在中心線發(fā)生平移的情況下，會根據δ的不同使得旋渦脫落后朝中心線相對基準軸線平移的方向碰撞到管壁。針對此現象對低速(4m/s)、中速(40m/s)和高速(70m/s)流速下進行仿真研究，并將數據記錄到表1中。

　　為了更為直觀地反映出圖8中不同流速下的旋渦信號強度隨平移位置的變化規(guī)律,現將表1中的旋渦信號強度用表2的偏移程度來表示。

　　將表2中的數據繪制成圖8。從圖中可以看出信號強度隨著偏移距離，流速的不同而不同。并且得出以下結論:無論是低速(4m/s).中速(40m/s)、還是高速(70m/s)流速下,隨著平移距離的增加，信號強度減弱,偏移程度增加。平移距離越小，偏移程度越小,隨著平移距離的增加，平移距離與偏移程度近似于平方關系。
　　通過觀察低速(4m/s)、中速(40m/s)和高速(70m/s)流速下渦街流場中旋渦的產生-脫落圖，可以發(fā)現，當平移距離較小時，會在發(fā)生體尾部生成兩列規(guī)則排列的旋渦。繼續(xù)增加偏移距離，會出現旋渦發(fā)生體尾部產生交替排列的旋渦向發(fā)生體尾部產生的旋渦碰撞到管壁的過渡點。流速為4m/s時，過渡點在0.3d處;流速為40m/s和70m/s時，過渡點在0.4d處。也就是說，當流速為4m/s,平移距離為0.3d、0.4d和0.5d時，發(fā)生體產生的旋渦會碰撞到管壁;當流速為40m/s或70m/s,偏移距離為0.4d和0.5d時，發(fā)生體產生的旋渦會碰撞到管壁。
5仿真與實際流速對比
　　實驗室使用50mm口徑液體流場進行實驗其中實驗裝置如圖9所示,由于限制本實驗主要針對低流速下進行實驗仿真對比。

　　渦街流量計安裝在閥門的下游,由于閥門上游連接的，水箱在水泵不斷送水的狀態(tài)下一-直呈溢出狀態(tài)，因此可認為上游水箱的液位是穩(wěn)定的。實驗中通過調節(jié)閥門的開度達到控制回路中流量大小，同時與仿真中的流速進行對比，其中δ為發(fā)生體平移距離。

6結論
　　流場仿真在渦街流量計傳感器設計以及優(yōu)化傳感器設計變得越來越重要,它通過理論支持指導仿真的可實施性，并將仿真結論用于實驗中,大大縮短了設計周期。
　　通過模擬三維渦街流場以及渦街流量計的漩渦發(fā)生體,通過改變發(fā)生體與管道基準軸的距離從而得到不同的漩渦信號,通過仿真與實際管道流體的實驗對比可以看出,在發(fā)生體中心線相對于基準軸線發(fā)生平移的情況下，渦街流場的旋渦信號強度是流體流速和平移距離的共同作用結果,同時在發(fā)生體偏離中心軸在0.05d以內則不影響渦街流量計的最終測量精度,這為實際設計發(fā)生體做出理論指導。

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