双钝体涡街流量计的研究

　　1　引言

　　涡街流量计出现在70年代初。其原理基于以下事实:在流体中垂直于流体方向插入一根柱状阻力体时,在其两侧会交替产生旋涡脱离现象。随着流体向下游方向运动,形成旋涡列,称为卡曼涡街。在一定的雷诺数范围内,旋涡脱离频率与平均流速成正比,而与流体的物理性质无关。另外,周期性的旋涡脱离会在钝体周围诱发流体振动,当钝体满足一定的要求时,流体振动频率与平均流速成线性关系。测得振动频率后,就可得到流体流速,从而可进一步得到流体流量。

　　由于涡街流量计具有许多优点:无可动部件,可靠性高,维护保养费用低,输出是频率与流速成线性关系的脉冲信号,便于与微机接口,处理方便,测量精度高、对流体的特性和温度不敏感等,这使它广泛用于测量气体、液体、多相流和化工、石油中的腐蚀性流体。但是,它也有其自身的缺点,比如,抗干扰性能差和流量下限高等,限制了它的应用。为此,国内外的研究人员进行了深入的研究。

　　Pankanin和Grzegorz[1]通过优化钝体几何结构和传感器安装位置提高了信号质量、频率稳定性和线性度。Bentley and Benson[2]通过实验研究了许多矩形钝体组合的特性,发现使用优化的双钝体组合可以获得旋涡脱离的良好的重复性。他们的成果奠定了双钝体涡街流量计的研究基础。在本研究中,使用截面为等边三角形的双钝体组合来增强流体振动,从而得以提高涡街流量计的抗干扰性和灵敏度。

　　2　仿真与分析

　　采用商业软件Gambit 1.0建立图1所示几何结构的网格模型(图2),并在Fluent 5.2中采用RNG k-ε模型进行仿真计算,获得图3、图4所示的仿真结果。

　　在图1中,管道直径D=50mm,两钝体相同,B=11·2mm,H=14mm。定义4条棱分别为棱1、棱2、棱3和棱4。在距离4条棱底边h=2·8 mm的位置取4个振动测量点，点1,点2,点3和点4。

　　比较双钝体流量计4个观测点和单钝体流量计上同观测点1和2位置相同的点的流体振动,可得出如下结论:

　　(1)双钝体流量计观测点1和点2上的振动幅度同单钝体上的相等。然而,在观测点3和点4上的振动幅度则是单钝体上的2倍。

　　(2)至少雷诺数在638~9567范围内时,双钝体上观测点4上的振动频率保持稳定。

　　(3)在双钝体的轴对称点上,即,点1和点2,点3和点4的流体振动相位相差180°。

　　3　实验

　　3·1　试验装置

　　图5所示为实验装置及测试系统原理。实验装置为气体流量实验系统,它由5个部分组成:Ⅰ—流场波动模拟装置,用于在实验室条件下模拟流场波动;Ⅱ—夹表装置,本实验台设计满足不同表体的使用,为通用的表体夹具;Ⅲ—标准流量校正装置,本实验台采用音速喷嘴流量计作为校准其它仪表的基准;Ⅳ—压差产生装置,本实验台通过真空泵产生负压,使实验台的入口和出口之间产生一个压差,形成相对稳定的空气流来作为实验流体;Ⅴ—计算机测试系统,该系统用于测量传感器的输出,主要由电荷放大器和用于采样计算的美国DACTRON公司PHOTO便携式动态信号分析仪及计算机组成。