渦街流量傳感器動態(tài)壓力場變化趨勢

    渦街流量傳感器在流量計量中應(yīng)用廣泛，但由于其原理涉及到復(fù)雜的鈍體繞流現(xiàn)象，因此對它的研究遠未成熟，需要在鈍體繞流發(fā)生的機理上不斷地研究來進一步提高渦街流量傳感器的性能[1-2]。

 

    目前渦街流量傳感器大多采用通過獲得流場中壓力動態(tài)變化的頻率進而獲得流體流量的原理研制而成[3-4]，但研究者發(fā)現(xiàn)渦街流場中的壓力分布特性會隨著旋渦的脫落過程而變化[5]，壓力檢測點設(shè)置的位置不同會影響到測量的結(jié)果。SAFFIMAN等[6]通過試驗認為旋渦的強度會因為能量的耗散而慢慢衰減；PANKANIN[7]對圓柱發(fā)生體后不同位置的渦街信號進行了研究。

 

    本文以數(shù)值計算與試驗相結(jié)合的方法對渦街流量傳感器內(nèi)部壓力場的變化規(guī)律進行了研究，通過分析不同區(qū)域內(nèi)壓力信號的強度以及穩(wěn)定性給出了渦街流量傳感器內(nèi)部檢測壓力信號的最佳區(qū)域。

 

    利用數(shù)值計算得到豐富的內(nèi)部流場信息，通過對旋渦生成、脫落、衰減規(guī)律的分析，解釋了造成流場內(nèi)壓力信號強度、穩(wěn)定性隨檢測點位置而變化的內(nèi)部機理。

 

    1數(shù)值計算

 

    在對運動流體的數(shù)值計算中，最直接也最為準(zhǔn)確的方法是直接通過瞬時的Navier-Stokes方程對流場進行計算，但這種方法所需要的網(wǎng)格數(shù)量巨大，其計算量一般計算機難以承受[8]，因此這里嘗試采用了目前使用較為廣泛的雷諾平均法[9-10]對渦街流量傳感器內(nèi)部流場進行計算。

 

    1.2網(wǎng)格剖分

 

    圖1是渦街流量傳感器的二維幾何模型，管道口徑D=50mm，旋渦發(fā)生體截流面寬度d=14mm，旋渦發(fā)生體的尺寸符合這一口徑管道下的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對幾何模型網(wǎng)格劃分后的效果如圖2所示，網(wǎng)格劃分所采用的網(wǎng)格單元為Quad單元，即網(wǎng)格區(qū)域中只包含四邊形單元。采用的網(wǎng)格類型為Submap，即將不規(guī)則的區(qū)域劃分成多個規(guī)則的子區(qū)域，在每個子區(qū)域中劃分網(wǎng)格。

 

    1.3邊界條件

 

    所采用的流體介質(zhì)為空氣，密度1.225kg/m3，壓力為101.325kPa，粘度1.5×10-5m2/s。所有的壁面材料包括直管段、旋渦發(fā)生體，均為不銹鋼（1Cr18Ni9Ta）。入口速度根據(jù)需要進行調(diào)整，以便得到不同流速下渦街傳感器內(nèi)部流場的狀態(tài)。出口速度由入口速度根據(jù)質(zhì)量守恒條件計算而得。

 

    2計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較

 

    渦街流量傳感器是利用檢測旋渦發(fā)生體后旋渦產(chǎn)生的頻率來實現(xiàn)流量測量的，目前工業(yè)中使用的渦街流量計多是通過壓力檢測來得到旋渦產(chǎn)生的頻率。為了與實際情況相符，用如下的方法進行仿真來獲取旋渦產(chǎn)生頻率：在靠近旋渦發(fā)生體尾部的位置設(shè)置一個壓力檢測點，如圖3所示，在數(shù)值計算過程中實時記錄檢測點上壓力的變化，計算采用非穩(wěn)態(tài)的計算方法，每0.0005s步長進行一次計算。旋渦從發(fā)生體上周期脫落，會引起渦街流量傳感器內(nèi)部壓力場的周期變化，如圖4所示反應(yīng)的是某個時間段內(nèi)壓力場的周期變化曲線。

 

    將壓力在時域上的變化利用FFT轉(zhuǎn)換成頻域上的變化即可得到旋渦脫落的頻率，如圖5所示。用相同的方法得到了入口流速分別為：5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s時旋渦發(fā)生的頻率。