低温涡街流场特性数值仿真研究

　　1 引 言

　　涡街流量计具有仪表系数稳定、瞬时流量测量准确、量程范围宽、压力损失小、结构和检测方式组合多样、便于安装维护等诸多特点，在流量测量领域占有重要地位。常温下的涡街流量计技术已经相当成熟，至今己发展为多种旋涡发生体形式及不同检测方法，系列化的产品应用于各种工业领域。但用于低温( 特别是超低温，如液氢、液氧、液氮) 流体测量的涡街流量计才刚刚起步，国外已在近期开展了研究，在国外航天领域的低温流体流量测量中使用效果良好，并逐步有产品推向市场。目前，中国国内少有低温涡街流量计的产品和文献系统报导。

　　在超低温下，信号感测器灵敏度下降，因此必须产生更加强烈稳定的旋涡，才能提高信噪比，满足精度要求。此外，液氢、液氧和液氮等低温流体的物性极为特殊，其黏度极低，极易产生空穴。众所周知，旋涡发生体形状和检测位置对涡街流量计的测量质量影响很大，但是受检测条件和手段的限制，难以对其影响进行有效评价^[1] 。利用计算流体力学( CFD) 数值仿真的方法模拟不同旋涡发生体涡街流量传感器内部流场，进而确定最佳旋涡发生体形状以及检测点最佳位置，对涡街流量传感器的优化具有重要的指导意义。本文根据低温流体( 以液氮为例) 的物性参数和流体力学理论，对低温涡街的流场进行理论计算和数值仿真，分析低温流体涡街的产生过程，对比低温涡街和常温涡街流场分布的异同，为低温涡街流量计的设计和优化提供理论依据。

　　2 低温涡街特性理论分析

　　2. 1 涡街流量计的工作原理

　　在流体中设置旋涡发生体，就会从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种在旋涡发生体下游非对称排列的旋涡列即卡门涡街。根据卡门涡街原理，旋涡频率 f 有如下关系式:

　　式中: f 为旋涡频率，Hz; Sr 为斯特劳哈尔数，无量纲，与旋涡发生体形状及雷诺数 Re 有关，在 Re =2× 104^{- 7} × 106范围内可视为常数，例如三角柱发生体的斯特劳哈尔数为 Sr =0. 16; V 为测量管内被测介质的平均流速，m/s; m 为发生体两侧弓形流通面积之和与测量管的横街面积之比，计算如下:

　　式中: D 为涡街流量计管道口径，m; d 为旋涡发生体迎流面宽度，m，对于三角柱发生体而言，d =0. 28D。

　　式中: K 为涡街流量计仪表系数，m ^{- 3}; qv为管道内被测介质的体积流量，m ³/ s。

　　可见仪表系数 K 与旋涡发生体、管道的几何尺寸及斯特劳哈尔数 Sr 有关。但在 Sr 可视为常数的雷诺数范围内，K 就只与旋涡发生体形状和管道几何尺寸有关，因此涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，只要准确测得旋涡频率f，就可准确得知被测流体的流速 U 和体积流量 qv，给信号的测量提供了依据。