V锥流量计表面压力分布的数值模拟研究

　　V锥流量计是近年发展势头良好、优点突出的一类新型流量测量装置。V锥流量计包括一个在测量管中同轴安装的尖圆V锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的,在尖圆锥体的两端产生差压,只要采用合适的检测方法从V锥体附近周期振动的流速、压力中提取出频率,那么,就可以得到管道内被测流体的流量值。V锥流量计的性能在很大程度上受到V锥体流场结构及其内部参数分布的影响。因此,研究V锥锥流量计内部流动特性对改善其测量性能具有十分重要的意义。

　　由于V锥体的阻流作用,流体在管道内的流动是强烈的湍流运动,通过计算机数值计算方法和图像显示技术,可以得到在时间和空间上定量描述流场的数值解。目前,湍流的模拟有雷诺平均法、大涡模拟法和涡方法等〔1-3〕。在雷诺数较小时,数值模拟的结果与实际情况符合较好,但是在雷诺数较大时,数值模拟的结果还不尽如人意。

　　1　网格划分和边界条件

　　在模拟过程中,V锥流量计的计算域简化为具有圆形进出口边界的轴对称二维几何模型,坐标原点设在V锥体的前端尖嘴处,如图1所示。图1给出了管道和V锥体的二维计算域及其网格的示意图。为了模拟实际流动状况,利用Gambit软件生成了结构化网格〔4-6〕。由于V锥体附近流场变化剧烈,因此,对其周围的网格进行了局部加密处理。各求解变量收敛残差值设置为1×10-3。入口边界设置为沿管道轴向均匀速度入口,其他方向速度均为0。出口边界设置为压力出口,压力出口处的表压为0。管道和V锥体均设置为固体,壁面处无滑移。

　　2　控制方程和计算参数

　　流体流动的数学模型包括质量守恒方程和动量守恒方程。湍流模型为RNGk-ε两方程模型〔7~8〕。雷诺平均方程组为

　　3　数值模拟结果分析

　　图2、图3给出了介质为水、入口速度为v=2 m/s时的V锥流场中静压和动压的分布情况。可以看出:流体从V椎体两侧脱离形成旋涡,分离点在四边形的短边上。流体流过V椎体后,旋涡在向下游运动的同时,旋涡强度也逐渐由强变弱。相应的,静压和动压也都是在旋涡发生体附近较强,在向下游运动的过程中,强度也逐渐减弱。显然,旋涡的变化使流场内各种参数都随之发生波动,因此,通过检测V椎体尾部变化的某一参数可以获取流体流动特征。由于动压的检测比较困难,需要将测量件伸入管道内,因此,不适宜作为反映V锥体特性的被测特征参数。而管壁处静压的测量相对来说要简单容易得多,取压装置垂直于流动方向且位于管壁上,同时其值只需采用普通的压力传感器即可测得。