目前對(duì)于渦街流量計(jì)的***佳取壓位置研究主要集中在二維流場(chǎng) ，但這不能更生動(dòng)準(zhǔn)確的反映出三維流場(chǎng)特性。采用 Ａｎｓｙｓ＋Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ＋ＦＬＵＥＮＴ 數(shù)值仿真軟件平臺(tái)，根據(jù)渦街流量計(jì)的物理結(jié)構(gòu)尺寸建立仿真模型。并將仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而對(duì)求解域進(jìn)行離散，再通過(guò) Ｎ－Ｓ方程進(jìn)行求解計(jì)算，將仿真得到的卡門(mén)渦街脫落頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，得出兩者之間的***大誤差不超過(guò)５．８％，數(shù)據(jù)表明可以利用ＦＬＵＥＮＴ軟件對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值仿真。***后利用ＦＬＵＥＮＴ軟件，在不同流速下，通過(guò)設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)各點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度和頻譜分布進(jìn)行比較分析，得出目前***常用的三角柱旋渦發(fā)生體的***佳取壓位置位于管道中軸線，距離發(fā)生體尾部１．４ｄ（ｄ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）的位置處。

1.引言

計(jì)算流體力學(xué)于1993年初次應(yīng)用于二維黏性流體偏微分方程。CFD作為一門(mén)相對(duì)新興的技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析方面有舉足輕重的作用。它的基本原理是用有限個(gè)離散點(diǎn)的變量值的集合來(lái)替換原先在時(shí)間域或空間域上連續(xù)物理量的場(chǎng)，這些離散點(diǎn)上的場(chǎng)變量存在一定關(guān)系，根據(jù)一定的原則建立代數(shù)方程組，便可求出方程組場(chǎng)變量近似值。

ＦＬＵＥＮＴ軟件運(yùn)用ＣＦＤ軟件群的思想，具有許多優(yōu)化的物理模型，廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)研究中。ＦＬＵＥＮＴ以很直觀的觀察到流場(chǎng)的實(shí)時(shí)變化，通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)指導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)，再由實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，提升開(kāi)發(fā)效率。

目前關(guān)于渦街流量計(jì)柱體繞流的數(shù)值模擬研究，主要集中在二維平面  而在三維特性的數(shù)值研究中相對(duì)較少。通過(guò)對(duì)二維渦街流場(chǎng)中的壓力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究，解釋了信號(hào)強(qiáng)度隨檢測(cè)位置變化的原因。通過(guò)非定常ＲＮＧｋ－ε模型對(duì)圓柱繞流、方柱繞流和繞立方柱流動(dòng)進(jìn)行了仿真研究，得出鈍體繞流的非定常流動(dòng)能夠采用非定常雷諾平均法進(jìn)行研究，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于定常模擬方法的結(jié)果。通過(guò)對(duì)圓柱發(fā)生體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，揭示了影響探頭位置的各種因素以及發(fā)生體下游尾跡區(qū)域?qū)u形成以及脫落的影響。通過(guò)對(duì)二維單圓柱繞流進(jìn)行數(shù)值模擬研究分析，得出圓柱繞流的流動(dòng)與Ｒｅ數(shù)的大小有關(guān)，

本文選取了應(yīng)力式渦街流量計(jì)進(jìn)行研究，它提取渦街頻率的原理是通過(guò)信號(hào)處理單元提取渦街流量計(jì)旋渦發(fā)生體上的壓電敏感元件產(chǎn)生的電信號(hào)，從而依據(jù)流體流量與渦街頻率的關(guān)系得出被測(cè)流量。在以往的渦街流量計(jì)設(shè)計(jì)中，一直將研究重點(diǎn)放在真實(shí)流場(chǎng)分析中，即軟硬件的設(shè)計(jì)上。由于在現(xiàn)場(chǎng)管道環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要重復(fù)更換口徑、調(diào)節(jié)流量，操作起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以欲采用渦街流場(chǎng)數(shù)值分析的方法對(duì)傳感器內(nèi)部流場(chǎng)的變化進(jìn)行研究，通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)指導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步完善傳感器結(jié)構(gòu)。。

***后通過(guò)ＦＬＵＥＮＴ軟件建立三維模型對(duì)渦街流量計(jì)流場(chǎng)進(jìn)行仿真 再和氣體流量裝置上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證 研究表明渦街流量計(jì)傳感器的研究采用ＦＬＵＥＮＴ數(shù)值仿真是有效的。并通過(guò)設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，在不同流速下對(duì)其進(jìn)行取壓，***終得出三角柱旋渦發(fā)生體的***佳取壓位置在距離發(fā)生體尾部１．４ｄｄ（ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）處的管道中軸線處。

2.渦街流量計(jì)原理

渦街流量計(jì)利用流體振動(dòng)進(jìn)行流量測(cè)量，基本原理是將非流線型旋渦發(fā)生體放置在和被測(cè)介質(zhì)流向垂直的方向，當(dāng)該發(fā)生體有流體流過(guò)時(shí)，在發(fā)生體后方兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交錯(cuò)排列的旋渦，即為卡門(mén)渦街，如圖１所示。

旋渦脫落頻率f與發(fā)生體兩側(cè)平均流速V1之間存在如下關(guān)系：

F=Ｓｔｖ１/ｄ                          (1)

式中：Ｓｔ為斯特勞哈爾數(shù)；d為旋渦發(fā)生體寬度。

3.渦街流場(chǎng)模擬的可行性

3.1幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分

本 文 提 出 利 用ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｇｅｏｍｅｔｒｙ和ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｍｅｓｈ作為ＦＬＵＥＮＴ 的前處理，并將導(dǎo)出的網(wǎng)格文件直接導(dǎo)入ＦＬＵＥＮＴ 中進(jìn)行計(jì)算。

圖２是在Ｇｅｏｍｅｔｒｙ中建立的三維幾何模型，管道口徑D為50mm;管道長(zhǎng)L為1000mm;旋渦發(fā)生體截流面寬度ｄ為１４ｍｍ.

通過(guò)ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ－Ｍｅｓｈ對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格,并將發(fā)生體周?chē)W(wǎng)格細(xì)劃，如圖３所示。然而在旋渦發(fā)生體壁面附近薄層中的黏性力作用下，順著壁面法線方向存在較大的速度梯度，因此在網(wǎng)格劃分中設(shè)置邊界層，網(wǎng)格劃分所采用的網(wǎng)格單元為ＱｕａｄＴｒｉ／ ，即掃掠網(wǎng)格區(qū)域中只包含四邊形和三角形單元。

3.2仿真參數(shù)的設(shè)置

3.3仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差分析

渦街流量計(jì)通過(guò)壓電晶體檢測(cè)發(fā)生體后的壓力變化，得到旋渦脫落頻率。在 ＦＬＵＥＮＴ 后處理軟件 ＣＦＤ－Ｐｏｓｔ中，以相同的原理對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行流場(chǎng)仿真。在旋渦發(fā)生體后設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（圖4十字形標(biāo)記位置），然后記錄該點(diǎn)所受靜壓力的變化趨勢(shì)，從而得出旋渦脫落的頻率，***后將此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。

由圖５（ａ）可以看出該點(diǎn)所受靜壓力以一定的時(shí)間周期變化，因此可以采用傅里葉變換，得到渦街的脫落頻率，如圖５（ｂ）所示。為了與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件與仿真條件基本一致。在管徑為 ５０ｍｍ，流體介質(zhì)為空氣，旋渦發(fā)生體為三角柱形的壓電式渦街流量裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。比較仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出***大誤差為５．８％（此誤差是由實(shí)驗(yàn)中發(fā)生體尺寸不或是發(fā)生體插入位置有偏差引起），如表１所示。

4.***佳取壓位置的仿真結(jié)果

基于前文對(duì)ＦＬＵＥＮＴ 三維流場(chǎng)仿真的可行性研究，本節(jié)應(yīng)用ＦＬＵＥＮＴ對(duì)渦街流量計(jì)檢測(cè)點(diǎn)的***佳取壓位置進(jìn)行了研究。

在距旋渦發(fā)生體尾部，第１步：以 Ｘ 軸方向０．１Ｄ（Ｄ為管道直徑）為步長(zhǎng)從管壁至管道軸線位置生成縱向點(diǎn)；第２步：以Ｙ 軸方向０．７ｄ（ｄ 為旋渦發(fā)生體截流面的寬度）為步長(zhǎng)重復(fù)步驟一。***終生成４０個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖６），并觀察這些點(diǎn)上的旋渦信號(hào)強(qiáng)度。***后通過(guò)數(shù)值仿真，將記錄的每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的壓力變化的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到了在７ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ和７０ｍ／ｓ流速下不同檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，如表２～４所示。

將表２的數(shù)據(jù)繪制成圖７。圖７可以直觀的反應(yīng)出各個(gè)位置上的信號(hào)強(qiáng)度變化。由圖７可以看出，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著取壓位置的不同而不同。當(dāng)插入深度相同（如０．１Ｄ 時(shí)），距離發(fā)生體尾部不同橫向距離的信號(hào)強(qiáng)度近似于正態(tài)分布，其中在１．４ｄ的時(shí)候達(dá)到了峰值，原因是旋渦脫落要經(jīng)歷一個(gè)成長(zhǎng)－強(qiáng)壯－衰減的過(guò)程；當(dāng)距離尾部的橫向距離保持不變（如０．７ｄ時(shí)），增加插入深度，發(fā)生體尾部的信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，其中在管道中軸線位置信號(hào)強(qiáng)度***強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)比表２～４中不同流速下的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：

１）渦街的信號(hào)強(qiáng)度與流速成正比，所以隨著流速的增加，旋渦脫落頻率信號(hào)強(qiáng)度會(huì)顯著增加。

２）壓電探頭在逐漸遠(yuǎn)離旋渦發(fā)生體的過(guò)程中，渦街信號(hào)幅值先逐漸變大，然后又逐漸變小，并且隨著流速的增大，這種趨勢(shì)越來(lái)越明顯。

５.結(jié) 論

本文通過(guò)模擬渦街流量計(jì)三角柱繞流現(xiàn)象，研究其對(duì)附近流場(chǎng)的影響，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，可以得出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分相近，驗(yàn)證了ＦＬＵＥＮＴ數(shù)值仿真用于渦街流量計(jì)的三維流場(chǎng)是可行的。在渦街流場(chǎng)的仿真中，通過(guò)在ＦＬＵＥＮＴ 中設(shè)置不同檢測(cè)點(diǎn)并將結(jié)果進(jìn)行計(jì)算處理，對(duì)比分析不同流速下各個(gè)取壓位置的信號(hào)強(qiáng)度，找到了渦街流量計(jì)的***佳取壓位置，并且對(duì)計(jì)算的結(jié)果有了更深層次的了解。這對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)起到指導(dǎo)性意義。

進(jìn)一步的研究可以在以下方面展開(kāi)：修改旋渦發(fā)生體的形狀、尺寸；修改數(shù)值模擬方法；修改介質(zhì)條件。