摘要：通常大口徑管道的流體流速較低,根據(jù)渦街流量計原理,其產(chǎn)生的渦街信號頻率和幅值也很低、傳統(tǒng)的懸臂粱式渦街探頭在大口徑管道上應(yīng)用時,由于其相對管道中軸線的距離更遠,受管道振動的影響更大,無法很好地進行測量采用數(shù)值仿真軟件平臺Ansys+Workbench+Fluent對大口徑渦街流量計管道發(fā)生體處的流場特性進行了分析根據(jù)分析得出的結(jié)論結(jié)合大口徑管道發(fā)生體的機械特性,提出了位于發(fā)生體處基于差壓原理的旋渦頻率檢測方案。
大口徑渦街流量計(指管道直徑超過300mm)主要用于工業(yè)管道中天然氣、蒸汽、氮氣、氫氣、空氣等介質(zhì)的流量計量。例如：“西氣東輸”、“俄氣南下”等工程中需要用到大量的大口徑渦街流垣計進行流量計量。
國內(nèi)外對于渦街流量計的研究主要集中在中小口徑,對于大口徑渦街流量計的研究很少。本課題的主要來源是作者所在的課題組在現(xiàn)場調(diào)試傳統(tǒng)懸臂式渦街流量計時發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道口徑超過250mm時,提取到的渦街信號波形嚴重失真。對懸臂式渦街探進行改進,增加探頭的插入深度,又極易引起共振,帶來更大的干擾信號因此,需要研究新的旋渦頻率檢測方案。
1渦街流量計工作原理
渦街流量計利用流體振動原理進行流量測量,在特定的流動條件下,流體一部分動能轉(zhuǎn)化為振動,其振動頻率與流速(流量)有確定的比例關(guān)系�；驹硎莀2]：在與被測介質(zhì)流向垂直的方向放置一非流線型旋渦發(fā)生體,當(dāng)流體流過該旋渦發(fā)生體時,在發(fā)生體阻擋面后方兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交錯排列的旋渦,稱為馮·卡爾曼渦街,如圖1所示。
旋渦脫落頻率f與發(fā)生體兩側(cè)的平均流速V之間存在如下關(guān)系式
式中,S為斯特勞哈爾系數(shù)；d為發(fā)生體迎流面的寬度,單化為m。斯特勞哈爾系數(shù)在很寬的一段雷諾數(shù)范圍內(nèi)可保持不變。因此測得頻率就能得到流速。
2大口徑管道渦街流場仿真
ANSYSWorkbench仿真協(xié)同平臺是通過對產(chǎn)品研發(fā)流程葉1仿真環(huán)境的開發(fā)與實施,搭建一個集成多學(xué)科異構(gòu)CAE技術(shù)的仿真系統(tǒng),使得整個建模、仿真、分析、前后處理無縫鏈接。
FLUENT軟件運用CFD軟件群的思想,具有許多優(yōu)化的理模型。同時采用r多種求解,『法和多重『艤1絡(luò)加速收斂技術(shù),以此來達到最佳的收斂精度FLUENT可以很舭的州測到內(nèi)部流場的變化,通過仿真結(jié)果來指物理實驗、
2．1幾何模型的建與網(wǎng)格劃分
利用ANSYSWorkbench—Geometry和ANSYSWork—bench—Mesh作為FLUENT的前處理模塊,對所研究的流場進行幾何建模和網(wǎng)格劃分。在Geometry中建立大口徑管道二維幾何模型,如圖2和圖3所示。
旋渦產(chǎn)生于發(fā)生體處,故將發(fā)生體處的網(wǎng)格細化,選用三角形網(wǎng)格,大小為6mm�！癁楣�(jié)省計算資源將前后兩部分的網(wǎng)格設(shè)置為四邊形網(wǎng)格,大小為24mm。整個網(wǎng)格劃分4所示�？偩W(wǎng)格數(shù)為139194,網(wǎng)格質(zhì)量很好。
2．2FLUENT仿真參數(shù)的設(shè)
將Mesh中劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT,進行計算設(shè)置FLUENT的仿真參數(shù)如下：
1)求解器(solution)：基于壓力的二維雙精度瞬態(tài)(Transient)求解器。
2)流體：空氣,密度1．225kg/rn3,運動粘度1．7894xl0-5m2/s。
3)邊界條件(Boundarycondition)：人口,流速入口(veloci—ty—inlet),根據(jù)需要設(shè)置不同的流速；出口,壓力出口(pres—sure—outlet),零壓。
4)非穩(wěn)態(tài)計算時間步長(timestepsize)：時間步長取決的網(wǎng)格大小ΔX與流速V。一般取時間步長T=ΔX/V,根據(jù)波形再作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整
5)湍流模型：RNGK—?模型。
6)監(jiān)測點：監(jiān)測參數(shù)為渦街靜態(tài)壓力(Ve~exAverageStaticPressure),具體位置如圖5所示。差壓傳感器放置位置為將發(fā)生體的三角形邊三等分。
2．3仿真數(shù)據(jù)記錄
將氣體流速分別設(shè)置為5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s。運行100步之后,波形呈現(xiàn)周期性�？諝饬髁繛�5m/s時渦街流場的靜壓、速度參數(shù)的分布情況如圖6所示。對穩(wěn)定后的波形作傅里葉變換,如圖7所示。
表1～表5依次為氣體流速為5m/S、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s時不同取壓位置的信號記錄。
2.4數(shù)據(jù)分析
從表1～表5中我們可以看出,當(dāng)取壓位置位于發(fā)生體后時,同一流速下,壓力最大的點位于發(fā)生體后1.5d處,即P3處；當(dāng)取壓位置位于發(fā)生體處時,同一流速下,壓力變化不大,只有PD3明顯小于PD2和PD1。為了兼顧到渦街信號的穩(wěn)定性,應(yīng)盡量將差壓傳感器安裝在離發(fā)生體迎流遠的位置,因此取PD2處。不同流速下P3和PD2處的壓力對比,如圖8所示。
由圖8中曲線可知,PD2處的壓力明顯大于P3處,且其值越為4倍關(guān)系。
3試驗結(jié)論
大口徑渦街信號發(fā)生體的尺寸通常很大,所以其結(jié)構(gòu)為鋼板拼接的中空結(jié)構(gòu)。發(fā)生體的沿管道方向的長度較長,足以保證渦街信號穩(wěn)定形成。且由上面仿真的結(jié)論可知PD2處的渦街信號強度為P3處的4倍左右。因此,本文提出了如圖9所示的漩渦頻率檢測裝置。
進一步的研究還需要制作旋渦發(fā)生體實物,在實際的大口徑管道上驗證方案的可行性,測試其抗振動性、重復(fù)性等。
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