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導(dǎo)熱油流量計在蒸汽、空氣及水三種介質(zhì)下的仿真
導(dǎo)熱油流量計在蒸汽、空氣及水三種介質(zhì)下的仿真實驗，蒸汽作為一種重要的二次清潔能源，在電廠、石油化工、食品、機械加工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和人民的日常生活中占據(jù)了越來越重要的地位。為了提高蒸汽的計量水平，研究者開發(fā)了標準孔板、噴嘴以及渦街流量計等多種類型的蒸汽儀表，而在眾多類型蒸汽儀表中，渦街流量計以其結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、壓損小、測量時無可動件等優(yōu)點在蒸汽計量中得到快速的推廣和使用。
隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，采用數(shù)值仿真的方法研究流體流場能夠?qū)崟r、直觀地觀察到流場的變化，對研究流場具有很強的指導(dǎo)意義。近幾年來，不少學(xué)者利用計算機仿真對渦街流量計特性進行了大量研究，然而受蒸汽高溫高壓特性和蒸汽實流標定裝置的限制，目前還缺乏對渦街流量計在蒸汽介質(zhì)下的特性研究，本文研究的重點就是利用Fluent軟件對渦街流量計進行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的仿真研究，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，找到不同介質(zhì)對渦街流量計特性的影響規(guī)律。
1 渦街流量計
渦街流量計（又稱旋渦流量計）是根據(jù)“卡門渦街”原理研制成的流體振蕩式流量測量儀表。所謂“卡門渦街”現(xiàn)象就是在測量管道流動的流體中插入一根（或多根）迎流面為非流線型的旋渦發(fā)生體，當雷諾數(shù)達到一定值時，從旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的交錯排列的旋渦，這種旋渦稱為卡門渦街。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦的分離頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān)，旋渦的頻率正比于管道流體流量，并可由各種型式的傳感器檢出，渦街流量計工作原理如圖1所示。
U—被測介質(zhì)來流的平均流速；U1—發(fā)生體兩側(cè)的平均流速；
d—發(fā)生體迎流面的寬度；D—管道直徑。
圖1 渦街流量計工作原理圖
卡門渦街頻率計算公式為：
式中：f為旋渦頻率；Sr為斯特勞哈爾數(shù)；m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比，不可壓縮流體中，由于流體密度ρ不變，由連續(xù)性方程可得到m=U/U1。
由此可得體積流量qv為：
所以渦街流量計的儀表系數(shù)K可表示為：
不同介質(zhì)對渦街流量計性能的影響終體現(xiàn)在儀表系數(shù)的差異上，所以本文使用Fluent軟件建立渦街流量計的幾何模型，然后對不同介質(zhì)下的流場進行仿真分析，并仿真得到不同介質(zhì)下的儀表系數(shù)，終通過實驗驗證得到空氣和水作為替代介質(zhì)導(dǎo)致的與蒸汽實流標定得到的儀表系數(shù)的差異。
2 仿真模型與條件的設(shè)定
2.1 仿真模型
選擇DN100口徑的渦街流量計進行研究，利用Gambit軟件建立渦街流量計幾何模型并劃分網(wǎng)格，渦街流量計發(fā)生體橫截面網(wǎng)格如圖2所示。
Gx—軸向坐標；Gy—縱坐標；Gz—橫坐標。
圖2 渦街流量計發(fā)生體橫截面網(wǎng)格圖
為了提高計算效率，渦街發(fā)生體處重點加密，其他區(qū)域適當?shù)南∈琛膱D2可以看出，渦街發(fā)生體所處流場網(wǎng)格均勻加密。通過加密畫法，靠近渦街發(fā)生體的橫截面網(wǎng)格較密，遠離渦街發(fā)生體而靠近管壁的網(wǎng)格較稀疏。
2.2 仿真條件設(shè)定
仿真選擇三種流體材質(zhì)，分別為空氣和蒸汽兩種可壓縮流體以及不可壓縮的水，在Fluent中空氣和蒸汽材質(zhì)通過設(shè)定氣體的密度選項來實現(xiàn)。對于不可壓縮流體選擇的密度為常數(shù)；空氣介質(zhì)選擇默認密度1.225kg/m3，其密度設(shè)定為理想氣體，在迭代計算的過程中，根據(jù)氣體狀態(tài)方程壓強的變化修正流體的密度；蒸汽介質(zhì)的密度根據(jù)IF－97公式，利用UDF編程設(shè)置。
仿真模型選擇RNGk－ε雙方程湍流模型，該模型可以很好地處理高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大的流體流動，非常適合具有旋渦脫落現(xiàn)象的渦街流場仿真。
3 流場仿真分析
根據(jù)公式（1）可知，影響渦街流量計旋渦頻率的是發(fā)生體兩側(cè)的流速U1和發(fā)生體的結(jié)構(gòu)，由于發(fā)生體結(jié)構(gòu)尺寸是固定的，因此頻率只與U1相關(guān)，需要觀測在相同入口流速U的條件下U1變化來得到頻率的變化，而速度的變化必然會導(dǎo)致流體密度的變化，因此可觀測發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖，來判斷可壓縮性對渦街流量計流速U1的影響，通過仿真得到如圖3（a）所示的不可壓縮流體發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖和如圖3（b）所示的可壓縮流體發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖。
由圖3可以看出，不可壓縮流體的密度在仿真過程中沒有發(fā)生變化，可壓縮流體的密度發(fā)生了變化，必然會導(dǎo)致兩側(cè)速度U1的變化。可壓縮流體經(jīng)過發(fā)生體后密度變小會導(dǎo)致U1變大。
根據(jù)圖3得到的結(jié)論，對渦街流量計進行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的軟件仿真，設(shè)置三種介質(zhì)的入口流速均為50m/s，取渦街發(fā)生體迎流面?zhèn)壤庵悬c與管壁連線，如圖2中線段ab所示。取該線上的速度值，將蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的速度曲線進行比較，結(jié)果如圖4所示。
從圖4中可以看出，在靠近渦街發(fā)生體的位置，可壓縮流體流速明顯大于不可壓縮流體流速，且空氣的流速要大于蒸汽介質(zhì)的流速。因此空氣介質(zhì)受氣體可壓縮性的影響較大。
渦街流量計的計量性能終反映到儀表系數(shù)上，渦街流量計兩側(cè)的旋渦頻率決定了儀表系數(shù)的大小，圖5為仿真得到的渦街流量計渦流流場靜壓云圖。從圖中可以看出兩個明顯的脫落旋渦。圖中A區(qū)域靜壓大，B區(qū)域靜壓小。靜壓小的位置是C處，也就是脫落旋渦的渦心位置。檢測渦街發(fā)生體下游1D處的靜壓變化得到如圖6所示的靜壓變化圖。
對圖6中靜壓數(shù)值進行快速傅立葉變換，得到如圖7所示的三種介質(zhì)下的旋渦脫落頻率圖。
通過讀取圖7三種介質(zhì)旋渦脫落頻率圖高點的頻率，可以得到空氣介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1595Hz，蒸汽介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1579Hz，水介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1559Hz。代入公式（1）可以發(fā)現(xiàn)，渦街流量計在相同管道直徑相同入口速度的情況下在水介質(zhì)中得到的儀表系數(shù)小、蒸汽次之、空氣大。說明空氣受氣體介質(zhì)的可壓縮性影響大，在發(fā)生體兩側(cè)的密度變化率較蒸汽要大。
4 實驗驗證
為驗證仿真分析得到的結(jié)論，利用負壓法音速噴嘴氣體流量計量標準裝置、蒸汽實流計量標準裝置和水流量計量標準裝置對該結(jié)構(gòu)類型的渦街流量計進行三種介質(zhì)的實驗研究，各測試條件參數(shù)如表1所示。
由圖8可看出，在實驗過程中，空氣與水的儀表系數(shù)與仿真分析基本相符，但蒸汽介質(zhì)的儀表系數(shù)要小，這主要是因為蒸汽介質(zhì)的高溫使發(fā)生體的幾何尺寸發(fā)生變化導(dǎo)致的儀表系數(shù)的改變。
根據(jù)經(jīng)驗公式（4）：
式中：Kt為溫度為t時的儀表系數(shù)；K20為20℃時的儀表系數(shù)；α為線膨脹系數(shù)。
由公式（4）可以知道隨著溫度的升高，儀表系數(shù)會減小，因此就出現(xiàn)了圖8所示實驗數(shù)據(jù)與圖7仿真頻率計算出的儀表系數(shù)的微小差異。
利用Fluent軟件實現(xiàn)了渦街流量計在不同介質(zhì)下的流場仿真，根據(jù)卡門渦街的產(chǎn)生機理，對比分析了空氣、蒸汽和水三種不同介質(zhì)條件下的流場，仿真結(jié)果表明隨著可壓縮性的增強，渦街流量計的儀表系數(shù)隨之變大，因此在渦街流量計的或者后續(xù)檢定中盡量采用與工況相同的介質(zhì)進行標定。