涡街流量计的数值计算研究

　　一、简介

　　涡街流量计的测量原理如图1所示。 在流体管道中插入一定形状的漩涡发生体(阻流体)，当流体绕过发生体后，在发生体两侧会交替产生规则的漩涡，这种漩涡称卡门涡街。

　　卡门从理论上证明了当两漩涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L满足公式h/L=0.0281时，非对称的漩涡列就能保持稳定，并能满足如下关系式：

　　式中：f———漩涡的发生频率;St———斯特劳哈尔数;U′———漩涡发生体两侧平均流速 ;d———漩涡发生体迎流面宽度;U———被测介质来流的平均速度;D———管道内径;a———漩涡发生体两侧流通面积与管道面积之比;K———流量计的仪表系数，脉冲数/m3。

　　在雷诺数Re为6×104～7×106的范围内，St基本保持不变，可以认为是常数，这属于仪表正常工作的范围。 流量Qv和涡街频率f呈线性关系，涡街频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数仅与漩涡发生体及管道的形状尺寸有关，只要测出f就能求得流量Qv。

　　作为初步分析，本文先不考虑涡街流量计的三维效应，对其进行二维数值模拟。

　　二、网格与解算设置

　　1.网格

　　用于数值模拟的网格如图2和图3所示。 在贴近建筑物表面的区域采用四边形贴体网格，壁面首层网格高度保证y+≤1， 且在y+<30范围内垂直于壁面方向的网格点数大于15个。 网格总数为8.3万。管道内径为50mm，迎流面宽度为14mm。

　　2.解算设置

　　采用二维不可压N-S方程进行定常解算，湍流模型为kε-standard模型， 方程离散采用二阶迎风格式(Sec-ond Order Upwind)，压力-速度耦合采用SIMPLE方法。计算域外边界设置为速度入口， 用于指定来流速度、方向和湍流强度，大气参数按标准大气条件设置，来流 风 速 分 别 设 定 为 7m/s、14m/s、21m/s、28m/s、35m/s、42m/s。

　　三、数值模拟结果

　　1.涡街脱落特性

　　图4、图5是入口速度为21m/s时的数值计算结果，图4为漩涡周期脱落的速度流场，图5为漩涡周期脱落的压力流场。

　　从图4可以看出， 漩涡是从涡街发生体两侧交替脱离，并向下游运动，分离点在三角柱的锐边上。 漩涡强度在发生体附近较强，在向下游运动的过程中，强度逐渐减弱。

　　从图5可以看出， 比较涡街发生体附近静压和漩涡的分布，漩涡中心的压力较低，并沿径向递增，压力的变化与漩涡的生成和发展相对应。 在不同流动速度的情况下，计算得到的结果相似。 可见，流体流过涡街发生体后，漩涡在迎流面两侧锐边脱落，向下游运动，形成涡街，漩涡强度由强变弱。 漩涡的周期性变化使流场内压力随之交替变化。 通过检测压力的周期性变化频率，就可以得到涡街频率。