旋进旋涡流量计的数值模拟研究

　　旋进旋涡流量计是近几十年来开发并投入市场的一种流体振荡式流量计,可适用于石油、蒸汽、天然气、水等多种介质的流量测量.它具有内部无机械可动部件,耐腐蚀性好,量程比宽等优点.但是旋进旋涡流量计也存在一些不足之处,比如旋进旋涡流量计的工作原理没有其它旋涡型流量计的完善,振荡频率信号容易被外界振动源所干扰,并且压力损失较大.关于旋进旋涡流量计性能的研究由来已久,早于1970年, Dijstelber-gen[1]就对其进行了实验研究.1999年,Furio和Gianfranco[2]对旋进旋涡流量计做了实际工况下的仪表特征试验研究.2000年,Fu和Yang[3]用流体力学仿真对旋进旋涡流量计的流场特性进行了研究,并提出用信号差分处理提高旋进旋涡流量计抗干扰能力的设计.彭杰纲等人[4-7]不仅对旋进旋涡流量计进行了数值模拟分析,研究了旋涡进动效应流场的演变情况,通过脉动流场物理模拟研究了流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应的影响,还采用实验方法研究了流体脉动和传感器的安装对旋进旋涡流量计旋进旋涡效应特性的影响.张涛等人[8]对旋进旋涡流量计的结构进行了优化,使得流量计的压力损失有了较大幅度的减小.笔者利用FLUENT软件对旋进旋涡流量计进行数值模拟仿真,分析了旋涡进动效应流场的演变情况.在旋进旋涡流量计的流通管道中取不同的检测点,观察各个检测点信号的强弱,以便找到最合适的传感器的安装点.同时在旋进旋涡流量计前面加导流片,并将改进后的旋进旋涡流量计的压损与传统旋进旋涡流量计压损进行了比较.

　　1　旋进旋涡流量计的工作原理[9]

　　旋进旋涡流量计主要由以下几部分组成:起旋器、文丘里管、消旋器和检测元件.其结构原理如图1.旋进旋涡流量计是根据旋涡进动现象为机理的流量计.流体流入旋进旋涡流量计后,首先通过一组由固定螺旋形叶片组成的起旋器后被强制旋转,使流体形成旋涡流.旋涡中心为“涡核”是速度很高的区域,其外围是环流.流体流经收缩段时旋涡加速,沿流动方向涡核直径逐渐缩小,而强度逐渐加强.此时涡核与流量计的轴线相一致.当进入扩大段后,旋涡急剧减速,压力上升,于是就产生了回流.在回流作用下,涡核就围绕着流量计的轴线做螺旋进动,进动频率与流体的流速成正比.因此,测得旋进旋涡的频率即能反映流速和体积流量的大小.旋进旋涡的频率范围一般在10~1 500 Hz,与流体流量Q有如下比例关系:

　　式(1)中:K—仪表系数,它表示流过单位体积的流体所产生的脉冲数,K值在仪表出厂前由生产者给出.

　　2　数理模型和计算方法

　　2.1　流体力学控制方程和湍流模型