涡街流量计内壁面压力分布的数值模拟

　　0　引　言

　　涡街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。它利用在特定的流动条件下流体部分动能产生流体振动,且振动频率与流量成正比这一特征关系来进行工作。只要采用合适的检测方法从与涡街脱落相伴的周期振动的流速、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[1]。涡街流量计的性能在很大程度上受到涡街流场结构及其内部参数的时空分布的影响[2, 3]。因此,研究涡街流量计内部流动特性对优化其测量性能具有十分重要的意义。

　　由于旋涡发生体的阻流作用,涡街在管道内的流动是强烈的非线性时变湍流,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形成和脱落过程的认识几乎全部依赖于经验和实验。随着计算机技术的飞速发展,建立在经典流体力学与数值方法基础上的计算流体动力学为人们研究复杂流动问题提供了一种有效的解决方法,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,人们对涡街流场的数值模拟逐渐从二维过渡到三维,湍流方程的求解方法主要有雷诺平均法、大涡模拟法和涡方法等。国内外研究人员采用了各种数值算法对不同形状旋涡发生体在不同雷诺数下进行了模拟计算[4~7]。总体上说来,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,各种因素对涡街的影响十分复杂,数值模拟的结果还不尽如人意,许多问题还待于进一步深入研究。

　　本文利用先进的计算流体力学软件FLUENT及其前处理软件GAMBIT对涡街流量计内壁面压力分布进行了数值模拟,目的在于获得关于涡街流量计内部流场的定性或半定量的认识,为优化涡街流量计的结构设计和测量性能提供有益的参考。

　　1　计算域和网格

　　在模拟过程中,涡街流量计的计算域简化为具有圆形进出口边界的轴对称三维几何模型,坐标原点设在旋涡发生体迎流面的中心,如图1所示。管道内径为50mm,旋涡发生体为梯形柱体,迎流面宽度为14mm。图1给出了z=0截面(z轴方向垂直纸面向外)管道和旋涡发生体的二维计算域及其网格的示意图。为了真实地模拟实际流动状况,利用GAMBIT软件生成了非结构化的三角网格。由于旋涡发生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。不同流速的流动情况通过改变入口速度来模拟。各求解变量收敛残差值设置为1×10-5。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。管道和旋涡发生体均设置为固体,并且,壁面处无滑移。