涡街流量计流场特性的数值仿真研究

　　0　引言

　　涡街流量计是基于流体振荡原理的一种新型流量测量仪表,具有其他许多流量仪表无法同时具备的优点[1,2],因而发展迅速,应用日趋广泛。测量原理如图1所示,管道中垂直插入一非流线型对称形状的旋涡发生体(bluff body),当流体绕过发生体时,在发生体两侧会交替产生规则的旋涡,频率为f。经过推导,流体的体积流量qV与旋涡频率f符合以下公式[3]:

　　qV=f/K (1)

　　式中:K为流量计的流量系数。在一定雷诺数范围内K为常数,所以流量qV与旋涡频率f具有线性关系。只要测出f,就能求得体积流量qV。所以,旋涡频率f的检测是涡街流量计的关键。目前,f常用安装在管壁或旋涡发生体内的传感器来测量[4~6]。

　　由于旋涡发生体的阻流作用,管道中的流场变得非常复杂,难以解析地求得流场分布情况,所以至今人们对旋涡发生体后旋涡的形成和脱落的认识仍然几乎全部依赖于经验和实验[7]。这对于优化现有涡街流量计的结构以及设计新型涡街传感器都十分不利。

　　数值仿真方法求解问题的基本思想是:把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场(如速度、温度、浓度等),用一系列有限个离散点(称为节点)上的值的集合来替代,通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程(称为离散方程),求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值[8]。数值仿真方法具有成本较低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的数值仿真软件可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值仿真相当于进行一次数值实验,历史上也曾有过首先由数值仿真发现新现象而后由实验予以证实的例子。计算机出现后,特别是在最近20年中,数值仿真得到了飞速的发展,出现了FLUENT,PHOENICS和CFX等多种用于流动数值仿真的通用软件。其中,FLUENT软件最新版本采用基于完全非结构化网格的有限体积法,能够生成不连续网格,并支持变形网格和滑动网格,物理模型丰富,求解速度快,因而应用范围广泛。

　　本文从描述旋涡运动的流体力学基本方程出发,以CFD软件FLUENT为平台对涡街流量计的流场进行数值仿真,并将仿真结果与实验数据比较,结果表明:数值仿真结果与实际流动状况具有很好的一致性。

　　1　仿真模型

　　1.1　控制方程组

　　流体在涡街流量计管道中的流动为时变涡流。综合考虑仿真精度和计算成本,作者采用基于ReynoldsAveraged Navier-Stokes (RANS)方法的RenormalizationGroup(RNG)k-ε模型[9~11]。

　　雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程组为