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                時間:2024-3-11 09:12:43

              基于水介質的渦街流量計流場仿真

              摘要:利用計算流體力學數值計算仿真方法,對渦街流量計以水為介質進行了仿真分析,得到一些流場分析結果。 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仿真數學模型與邊界條件
              1.1仿真數學模型
                當介質為水時,由雷諾數可知,在裝置的整個流量范圍內,流量計內部的流動為湍流流動。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
               
                其中湍流運動黏性系數ʋt與湍流動能產生項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仿真軟件進行壓力-速度耦合,用有限體積法進行離散處理,壓力采用砌體力加權離散格式,動量、湍動能與湍動能耗散率均采用二階迎風離散格式。
              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格,渦街流量計發生體橫截面網格如圖1所示。
              渦街流量計發生體橫截面網格圖
 
                為了提高計算效率,渦街發生體處重點加密,其他區域適當稀疏。由圖1可知,渦街發生體所處流場網格均勻加密。通過加密畫法,靠近渦街發生體的橫截面網格較密,遠離渦街發生體而靠近管壁的網格較稀疏。
              2.2仿真條件設定
                目前仿真僅選擇不可壓縮的水為介質,對于不可壓縮流體水密度以實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彎曲程度較大的流體流動,非常適合具有旋渦脫落現象的渦街流場仿真。
              2流場仿真分析
                影響渦街流量計旋渦頻率的是發生體兩側的流速U;和發生體的結構,由于發生體結構尺寸是固定的,因此頻率只與U相關,需要觀測在相同人口流速U條件下的U變化來得到頻率的變化。而速度的變化必然會導致流體密度的變化,因此可觀測發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,通過仿真得到不可壓縮流體水的靜壓云圖(見圖2)、不可壓縮流體水的速度云圖(見圖3)。
               
               
                為判斷是否為充分發展流動,特測量Y軸方向的力(見圖4、圖5) 由圖4、圖5可知,經過一段時間后流場處于穩定狀態。對圖5中靜壓數值進行快速傅立葉變換,得到3種介質下的旋渦脫離頻率圖(見圖6)。
               
                通過讀取圖6不可壓縮流體水的旋渦脫落頻率圖最高點的頻率,可得到水旋渦脫落頻率為340Hz。
              3結束語
                利用軟件實現了渦街流量計在不可壓縮流體水的流場仿真,根據卡門渦街的產生機理,仿真出渦街流量計在不可壓縮流體水下的頻率值,為下一步進行空氣、蒸汽計量打下了堅實的基礎。

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