蒸汽作為一種重要的二次清潔能源，在電廠、石油化工、食品、機械加工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和人民的日常生活中占據(jù)了越來越重要的地位。為了提高蒸汽的計量水平，標準孔板、噴嘴以及渦街流量計等多種類型的蒸汽儀表，而在眾多類型蒸汽儀表中，渦街流量計以其結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、壓損小、測量時無可動件等優(yōu)點在蒸汽計量中得到快速的推廣和使用。
1 渦街流量計
　　渦街流量計 ( 又稱旋渦流量計) 是根據(jù) “卡門渦街”原理研制成的流體振蕩式流量測量儀表。所謂 “卡門渦街”現(xiàn)象就是在測量管道流動的流體中插入一根 ( 或多根) 迎流面為非流線型的旋渦發(fā)生體，當雷諾數(shù)達到一定值時，從旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的交錯排列的旋渦，這種旋渦稱為卡門渦街。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦的分離頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，旋渦的頻率正比于管道流體流量，并可由各種型式的傳感器檢出，渦街流量計工作原理如圖 1 所示。

卡門渦街頻率計算公式為:

　　式中: f 為旋渦頻率; Sr為斯特勞哈爾數(shù); m 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比，不可壓縮流體中，由于流體密度 ρ 不變，由連續(xù)性方程可得到 m = U/U1。

　　不同介質(zhì)對渦街流量計性能的影響最終體現(xiàn)在儀表系數(shù)的差異上，所以本文使用 Fluent 軟件建立渦街流量計的幾何模型，然后對不同介質(zhì)下的流場進行仿真分析，并仿真得到不同介質(zhì)下的儀表系數(shù)，最終通過實驗驗證得到空氣和水作為替代介質(zhì)導(dǎo)致的與蒸汽實流標定得到的儀表系的差異。
2 仿真模型與條件的設(shè)定
2. 1 仿真模型
　　選擇 DN100 口徑的渦街流量計進行研究，利用 Gambit 軟件建立渦街流量計幾何模型并劃分網(wǎng)格，渦街流量計發(fā)生體橫截面網(wǎng)格如圖 2 所示。

　　為了提高計算效率，渦街發(fā)生體處重點加密，其他區(qū)域適當?shù)南∈�。從圖 2 可以看出，渦街發(fā)生體所處流場網(wǎng)格均勻加密。通過加密畫法，靠近渦街發(fā)生體的橫截面網(wǎng)格較密，遠離渦街發(fā)生體而靠近管壁的網(wǎng)格較稀疏。
2. 2 仿真條件設(shè)定
　　仿真選擇三種流體材質(zhì)，分別為空氣和蒸汽兩種可壓縮流體以及不可壓縮的水，在 Fluent 中空氣和蒸汽材質(zhì)通過設(shè)定氣體的密度選項來實現(xiàn)。對于不可壓縮流體選擇的密度為常數(shù); 空氣介質(zhì)選擇默認密度 1. 225 kg/m3，其密度設(shè)定為理想氣體，在迭代計算的過程中，根據(jù)氣體狀態(tài)方程壓強的變化修正流體的密度; 蒸汽介質(zhì)的密度根據(jù)IF － 97 公式，利用 UDF 編程設(shè)置。
仿真模型選擇 ＲNG k － ε 雙方程湍流模型，該模型可以很好地處理高應(yīng)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(xiàn)象的渦街流場仿真［8］。
3 流場仿真分析
　　根據(jù)公式 ( 1) 可知，影響渦街流量計旋渦頻率的是發(fā)生體兩側(cè)的流速 U1和發(fā)生體的結(jié)構(gòu)，由于發(fā)生體結(jié)構(gòu)尺寸是固定的，因此頻率只與 U1相關(guān)，需要觀測在相同入口流速 U 的條件下 U1變化來得到頻率的變化，而速度的變化必然會導(dǎo)致流體密度的變化，因此可觀測發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖，來判斷可壓縮性對渦街流量計流速 U1的影響，通過仿真得到如圖 3 ( a) 所示的不可壓縮流體發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖和如圖 3 ( b) 所示的可壓縮流體發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖。

　　由圖 3 可以看出，不可壓縮流體的密度在仿真過程中沒有發(fā)生變化，可壓縮流體的密度發(fā)生了變化，必然會導(dǎo)致兩側(cè)速度 U1的變化�？蓧嚎s流體經(jīng)過發(fā)生體后密度變小會導(dǎo)致 U1變大。
　　根據(jù)圖 3 得到的結(jié)論，對渦街流量計進行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的軟件仿真，設(shè)置三種介質(zhì)的入口流速均為 50 m/s，取渦街發(fā)生體迎流面?zhèn)壤庵悬c與管壁連線，如圖 2 中線段 ab所示。取該線上的速度值，將蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的速度曲線進行比較，結(jié)果如圖 4所示。

　　從圖 4 中可以看出，在靠近渦街發(fā)生體的位置，可壓縮流體流速明顯大于不可壓縮流體流速，且空氣的流速要大于蒸汽介質(zhì)的流速。因此空氣介質(zhì)受氣體可壓縮性的影響較大。
　　渦街流量計的計量性能最終反映到儀表系數(shù)上，渦街流量計兩側(cè)的旋渦頻率決定了儀表系數(shù)的大小，圖 5 為仿真得到的渦街流量計渦流流場靜壓云圖。從圖中可以看出兩個明顯的脫落旋渦。圖中 A 區(qū)域靜壓大，B 區(qū)域靜壓小。靜壓最小的位置是 C 處，也就是脫落旋渦的渦心位置。檢測渦街發(fā)生體下游 1D 處的靜壓變化得到如圖 6 所示的靜壓變化圖。

　　對圖 6 中靜壓數(shù)值進行快速傅立葉變換，得到如圖 7 所示的三種介質(zhì)下的旋渦脫落頻率圖。
通過讀取圖 7 三種介質(zhì)旋渦脫落頻率圖最高

點的頻率，可以得到空氣介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1 595 Hz，蒸汽介質(zhì)的旋渦脫落頻率為 1 579 Hz，水介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1 559 Hz。代入公式 ( 1)可以發(fā)現(xiàn)，渦街流量計在相同管道直徑相同入口速度的情況下在水介質(zhì)中得到的儀表系數(shù)最小、蒸汽次之、空氣最大。說明空氣受氣體介質(zhì)的可壓縮性影響大，在發(fā)生體兩側(cè)的密度變化率較蒸汽要大。
4 實驗驗證
　　為驗證仿真分析得到的結(jié)論，利用負壓法音速噴嘴氣體流量計量標準裝置、蒸汽實流計量標準裝置和水流量計量標準裝置對該結(jié)構(gòu)類型的渦街流量計進行三種介質(zhì)的實驗研究，各測試條件參數(shù)如表 1 所示。

在上述實驗條件下得到三種標準計量裝置的儀表系數(shù)，實驗結(jié)果如圖 8 所示。

　　由圖 8 可看出，在實驗過程中，空氣與水的儀表系數(shù)與仿真分析基本相符，但蒸汽介質(zhì)的儀表系數(shù)要小，這主要是因為蒸汽介質(zhì)的高溫使發(fā)生體的幾何尺寸發(fā)生變化導(dǎo)致的儀表系數(shù)的改變。
根據(jù)經(jīng)驗公式 ( 4) :

　　由公式 ( 4) 可以知道隨著溫度的升高，儀表系數(shù)會減小，因此就出現(xiàn)了圖 8 所示實驗數(shù)據(jù)與圖 7 仿真頻率計算出的儀表系數(shù)的微小差異。
5 結(jié)論
　　利用 Fluent 軟件實現(xiàn)了渦街流量計在不同介質(zhì)下的流場仿真，根據(jù)卡門渦街的產(chǎn)生機理，對比分析了空氣、蒸汽和水三種不同介質(zhì)條件下的流場，仿真結(jié)果表明隨著可壓縮性的增強，渦街流量計的儀表系數(shù)隨之變大，因此在渦街流量計的首次或者后續(xù)檢定中盡量采用與工況相同的介質(zhì)進行標定。

以上內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系即刪除!