双钝体涡街流量计的设计与研究

　　0　引言

　　涡街流量计属于旋涡型流体振动流量计,它是利用流体在特定流道条件下流动时产生旋涡振荡,且振荡频率与流速成比例这种规律来测量流量的。这种流量计兼有无运动部件和脉冲数字输出等优点,从上世纪70年代以来得到迅速发展,是一种很有发展前途的流量计。但涡街流量计存在着小流量时信噪比低和抗干扰性能差等两大主要缺陷。近年来,针对这两大缺陷国内外学者及工业仪表界都做了大量的研究。研究是从两条途径进行的,一方面是开展对流体振动流量计的流体振动特性的研究,试图从根本上解决流体振动型流量计的抗振性等问题;另一方面是从二次仪表出发,研究提高二次仪表信号检测和处理能力的方法,从而获得拓展计量下限和提高抗振性能的途径。

　　目前对涡街特性的研究多集中在单个钝体的情况,本论文将对双钝体涡街进行仿真分析,应用Fluent软件对双钝体的旋涡脱离特性进行研究,分析双钝体涡街的Strouhal数与Re数的关系、压力波动在流道发生变化时的变化情况,以探寻增强卡门涡街强度的方法,进而达到提高涡街流量计的信噪比、降低涡街流量计下限的目的。

　　1　双钝体涡街的仿真模型

　　1.1　双钝体涡街流体力学基本方程组

　　对于双钝体涡街来说,其钝体绕流的数学模型与单钝体相同,都是建立在质量守恒定律上的连续方程、动量守恒定律上的运动方程和热力学第一定律上的本构方程基础上的,决定方程解的因素是边界条件的变化。

　　①连续性方程

　　

　　②运动方程

　　

　　式中:ρ为流体密度;u为流动速度;p为静压;ρ_gi为重力;τ_ij为偏应张力,由本构方程确定。

　　③本构方程

　　式中:μ为动力学粘性系数;δ_ij为克朗内克符号,

　　1.2　物理模型、初始条件及边界条件

　　现有涡街流量计的钝体形状大都采用锐边三角形的形式,本论文采用的双钝体的物理模型如图1所示。

　　设三角钝体迎风面的边长为D,求解区域的宽度为3.85D、长度为15.4D。将钝体放置在离入口2D处的正中央。为了对离散后的流体力学方程组进行数值计算,需要给出定解条件,包括边界条件和初始条件。

　　①入口边界:入口边界设定速度入口,给定流体平均速度,仿真中对钝体结构可取不同速度;

　　②出口边界:出口条件设定为压力出口,压力出口的压力为一个大气压,即表压为0;

　　③壁面条件:包括流体动力管壁和三角钝体壁面的条件,对这两种壁面采用相同的方法;