涡街流量计在汽体与水的仿真分析

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  等多种类型的蒸汽仪表，而在众多类型蒸汽仪表中，涡街流量计以其结构相对比较简单、测量范围宽、压损小、测量时无可动件等优点在蒸汽计量中得到快速的推广和使用。涡街流量计 ( 又称旋涡流量计) 是根据 “卡门涡街”原理研制成的流体振荡式流量测量仪表。所谓 “卡门涡街”现象就是在测量管道流动的流体中插入一根 ( 或多根) 迎流面为非流线型的旋涡发生体，当雷诺数达到一定值时，从旋涡发生体下游两侧交替地分离释放出两串规则的交错排列的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街。在一定雷诺数范围内，旋涡的分离频率与旋涡发生体的几何尺寸、管道的几何尺寸有关，旋涡的频率正比于管道流体流量，并可由各种型式的传感器检出，涡街流量计工作原理如图 1 所示。

  式中: f 为旋涡频率; Sr为斯特劳哈尔数; m 为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比，不可压缩流体中，由于流体密度 ρ 不变，由连续性方程可得到 m = U/U1。

  不同介质对涡街流量计性能的影响最终体现在仪表系数的差异上，所以本文使用 Fluent 软件建立涡街流量计的几何模型，然后对不同介质下的流场进行仿真分析，并仿真得到不同介质下的仪表系数，最终通过实验验证得到空气和水作为替代介质导致的与蒸汽实流标定得到的仪表系的差异。

  为了提高计算效率，涡街发生体处重点加密，其他区域适当的稀疏。从图 2 能够准确的看出，涡街发生体所处流场网格均匀加密。通过加密画法，靠近涡街发生体的横截面网格较密，远离涡街发生体而靠近管壁的网格较稀疏。2. 2 仿真条件设定仿真选择三种流体材质，分别为空气和蒸汽两种可压缩流体以及不可压缩的水，在 Fluent 中空气和蒸汽材质通过设定气体的密度选项来实现。对于不可压缩流体选择的密度为常数; 空气介质选择默认密度 1. 225 kg/m3，其密度设定为理想气体，在迭代计算的过程中，根据气体状态方程压强的变化修正流体的密度; 蒸汽介质的密度根据IF － 97 公式，利用 UDF 编程设置。

  仿真模型选择 ＲNG k － ε 双方程湍流模型，该模型可以很好地处理高应变率以及流线弯曲程度较大的流体流动，很适合具有旋涡脱落现象的涡街流场仿线 流场仿线) 可知，影响涡街流量计旋涡频率的是发生体两侧的流速 U1和发生体的结构，由于发生体结构尺寸是固定的，因此频率只与 U1相关，需要观测在相同入口流速 U 的条件下 U1变化来得到频率的变化，而速度的变化必然会导致流体密度的变化，因此可观测发生体两侧的密度云图，来判断可压缩性对涡街流量计流速 U1的影响，通过仿线 ( a) 所示的不可压缩流体发生体两侧的密度云图和如图 3 ( b) 所示的可压缩流体发生体两侧的密度云图。

  由图 3 能够准确的看出，不可压缩流体的密度在仿真过程中没发生变化，可压缩流体的密度发生了变化，必然会导致两侧速度 U1的变化。可压缩流体经过发生体后密度变小会导致 U1变大。

  从图 4 中可以看出，在靠近涡街发生体的位置，可压缩流体流速明显大于不可压缩流体流速，且空气的流速要大于蒸汽介质的流速。因此空气介质受气体可压缩性的影响较大。

  涡街流量计的计量性能最终反映到仪表系数上，涡街流量计两侧的旋涡频率决定了仪表系数的大小，图 5 为仿真得到的涡街流量计涡流流场静压云图。从图中可以看出两个明显的脱落旋涡。图中 A 区域静压大，B 区域静压小。静压最小的位置是 C 处，也就是脱落旋涡的涡心位置。检测涡街发生体下游 1D 处的静压变化得到如图 6 所示的静压变化图。

  对图 6 中静压数值进行快速傅立叶变换，得到如图 7 所示的三种介质下的旋涡脱落频率图。

  点的频率，可以得到空气介质的旋涡脱落频率为1 595 Hz，蒸汽介质的旋涡脱落频率为 1 579 Hz，水介质的旋涡脱落频率为1 559 Hz。代入公式 ( 1)可以发现，涡街流量计在相同管道直径相同入口速度的情况下在水介质中得到的仪表系数最小、蒸汽次之、空气最大。说明空气受气体介质的可压缩性影响大，在发生体两侧的密度变化率较蒸汽要大。

  为验证仿真分析得到的结论，利用负压法音速喷嘴气体流量计量标准装置、蒸汽实流计量标准装置和水流量计量标准装置对该结构类型的涡街流量计进行三种介质的实验研究，各测试条件参数如表 1 所示。

  在上述实验条件下得到三种标准计量装置的仪表系数，实验结果如图 8 所示。

  由图 8 可看出，在实验过程中，空气与水的仪表系数与仿真分析基本相符，但蒸汽介质的仪表系数要小，这主要是因为蒸汽介质的高温使发生体的几何尺寸发生明显的变化导致的仪表系数的改变。

  由公式 ( 4) 不难得知随着温度的升高，仪表系数会减小，因此就出现了图 8 所示实验数据与图 7 仿真频率计算出的仪表系数的微小差异。

  利用 Fluent 软件实现了涡街流量计在不同介质下的流场仿真，根据卡门涡街的产生机理，对比分析了空气、蒸汽和水三种不同介质条件下的流场，仿真根据结果得出随着可压缩性的增强，涡街流量计的仪表系数随之变大，因此在涡街流量计的首次或者后续检定中尽量采用与工况相同的介质进行标定。