涡街流量计梯形旋涡发生体的研究.pdf

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1、580化工自动化及仪表第39卷涡街流量计梯形旋涡发生体的研究胡岳张涛(天津大学电气与自动化工程学院．天津30∞72)摘要通过改变尾缘夹角角度、平行部分长度和取压住王．用cFD软件FLuENT时具有不同形状梯形旋涡发生体的D，vlOO涡街流量计流场进行数值仿真研究。仿鼻结果表明：迎流面宽度为28mm的建涡发生体．在尾缘夹角角度为45。，平行部分长度为4mm的情况下．能够产生最强的涡街信号；当尾孽夹角角度在40一70。之间时，信号峰值取压住王最靠近旋涡发生体．信号峰值取压位王在尾缘后部2倍迎沆面宽度处。关■词涡街流量计数值仿真旋涡发生体几何参

2、数中圈分类号TH814文献标识码A文章编号looO-3932(2012)05．0580．05Strouhal和VonKa咖an率先研究了钝体旋涡脱落现象。依据Ka彻an涡街现象，涡街流量计根据旋涡脱落频率与流体流速的线性关系工作。在较宽雷诺数(如)范围内，StrouhaI数(曲)作为旋涡脱落频率与平均流速的线性度表征，是一个常数。Roshko首先提出制造涡街流量计的构想，他认为当300<舶<2×105时，研在0．2左右。涡街流量计具有高可靠性、低压力损失、宽量程比及结构简单等优点，被广泛应用于管道流量测量。涡街流量计中产生旋涡的部件称为旋

3、涡发生体，涡街流量计性能与旋涡发生体几何参数密切相关。大多数旋涡发生体几何参数是通过实验获得的。普遍使用的5种旋涡发生体截面形状为圆形、三角形、矩形、梯形和T形。为了改进涡街流量计性能，众多科研工作者做出大量贡献。日本在1989年制定了《涡街流量计工业标准》⋯。在标准的“说明”部分规定了旋涡发生体的几何参数。标准涡街流量计旋涡发生体截面形状为梯形，它的所有几何参数都根据Sr线性度最优的原则通过优化实验获得：迎流面宽度为O．28D(D为管道直径)、尾缘夹角角度为38。、平行部分长度为0．03D。Pankanin和G心ego佗L旧1对旋涡发生

4、体几何参数和取压位置进行了优化，改进了涡街流量计频率稳定性和线性度。PengJG等一3对三角形旋涡发生体几何参数进行了优化，改进了涡街流量计线性度。他比较了具有不同尾缘夹角的5种旋涡发生体，尾缘夹角角度分别为37．6、39．8、40．4、41．8、42．4。。结果显示尾缘夹角角度为41．8。的旋涡发生体具有最好的线性度。LuoSC等H1对尾缘形状影响旋涡发生体后部流场结构的现象，在风洞实验与水槽实验中进行量化分析，得到了尾缘形状对流场结构的影响关系。KahawitaR和WangP”1对一种梯形旋涡发生体流场进行了数值仿真，结果显示：尾缘后

5、部5．5d(d为迎流面宽度)处，涡街信号最强。笔者通过实流实验和仿真实验，研究旋涡发生体几何形状对信号强度的影响。1数值仿真的湍流模型选择涡街流量计旋涡发生体几何参数如图l所示。箭头表示流动方向。管道直径D为100mm，旋涡发生体迎流面宽度d为28mm，旋涡发生体全长为34mm，旋涡发生体平行部分长度P。为4mm，旋涡发生体尾缘宽度为6mm，旋涡发生体尾缘夹角角度a为40。。探头距离旋涡发生体尾缘的距离为m。=14mm。-．尸1—+●——一t(瞬丁-—◆岛图1旋涡发生体几何参数收穰日期：2012旬3·12(修改稿)第5期胡岳等．涡街流量计

6、梯形旋涡发生体的研究58I根据已有仿真经验，Realiz“le知-s模型和RNG知·占模型对相同旋涡发生体漩涡脱落频率预测与实流实验频率结果基本相同，而对旋涡发生体单一几何参数变化对信号强度影响的研究尚有不足。仿真实验中选取40、loo、140、180。4个尾缘夹角角度，旋涡发生体全长随尾缘夹角的变化而变化。流动介质为水，入口速度为O．3m／s和O．5m／s。使用两种湍流模型的仿真结果如图2所示。从图中可以看出。在RNGk·岔模型仿真结果中，信号强度随旋涡发生体尾缘夹角的增大而增大；在Reali龃ble丘一g模型仿真结果中，信号强度随旋涡

7、发生体尾缘夹角的增大而减小。其中，使用RNG女一占模型的仿真结果显示平板能够产生最强的涡街信号，这与已有实流实验结论相悖。．；基e越鹱=卜堪1警皇憋强心礁a．RNG如F模型毽缘夹角口，(olb．Realizable§·8模型图2不同尾缘夹角信号强度比较RealizableJ

8、}．占模型加入对质点旋转的分析，考虑了粘性力对质点的影响，能够更好地模拟涡街的形成和发展。而RNG％一s模型不考虑粘性力对质点旋转的影响，会将流体流经钝体后的速度方向突变作为旋涡形成和发展的主要因素。从丽得到涡街信号强度随尾缘夹角的增大丽增大的错误结论。这就是为什么R

9、ealizable痞·占模型比RNG七一占模型更适合模拟涡街流场的原因。笔者选择ReaIizable女一占模型作为涡街流场仿真模型。2仿真研究对具有不同尾缘夹角旋涡发生体的涡街流场做进一步仿真